i
ELETTROTECNICA
PARTE I
TEORIA DEI CIRCUITI (CAP. I-XI)
CAPITOLO I,
BIPOLI 1
I) DEFINIZIONI GENERALI E POTENZE 1
II) I BIPOLI ATTIVI 2
III) I BIPOLI PASSIVI 3
IV) EQUIVALENZA FRA BIPOLI. CASO GENERALE 4
V) EQUIVALENZA FRA BIPOLI. APPLICAZIONI 6
VI) EQUIVALENZA FRA BIPOLI. TRASFORMAZIONI TRIANGOLO-STELLA
E STELLA-TRIANGOLO 8
VI) GENERATORI NORMALI 11
CAPITOLO II,
RETI ELETTRICHE 13
I) DEFINIZIONI GENERALI 13
II) LE LEGGI DI KIRCHHOFF 14
III) SOLUZIONE DI UNA RETE ELETTRICA 14
IV) METODO GENERALE DI ANALISI DI UNA RETE ELETTRICA 15
CAPITOLO III,
RETI LINEARI 20
I) SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI 20
II) GENERATORI EQUIVALENTI 22
III) TEOREMA DI SOSTITUZIONE E FORMULA DI MILLMANN 24
IV) RENDIMENTO E ADATTAMENTO DEL CARICO 30
CAPITOLO IV,
METODO RISOLUTIVO DELLE MAGLIE PER RETI LINEARI 33
CAPITOLO V,
METODO RISOLUTIVO DEI NODI PER RETI LINEARI 41
ii
CAPITOLO VI,
FUNZIONI SINUSOIDALI E FASORI 48
.
CAPITOLO VII,
BIPOLI IN REGIME SINUSOIDALE 56
I) POTENZE 56
II) GENERATORI IDEALI IN REGIME SINUSOIDALE 61
III) RESISTORE IN REGIME SINUSOIDALE 61
IV) INDUTTORE IN REGIME SINUSOIDALE 63
V) CONDENSATORE IN REGIME SINUSOIDALE 65
VI) IMPEDENZA 67
VII) SUSCETTANZE E AMMETTENZE 68
VIII) IMPEDENZE EQUIVALENTI 70
CAPITOLO VIII,
RETI IN REGIME SINUSOIDALE 72
I) LEGGI DI KIRCHHOFF 72
II) RIFASAMENTO DEL CARICO 72
III) EFFETTO PELLE 75
CAPITOLO IX,
RETI NOTEVOLI IN REGIME SINUSOIDALE 78
I) SERIE DI UN RESISTORE, UN INDUTTORE ED UN CONDENSATORE 78
II) PARALLELO DI UN RESISTORE, DI UN INDUTTORE E DI UN CONDENSATORE 81
CAPITOLO X,
RETI TRIFASI 86
I) SISTEMI POLIFASI 86
II) RETI TRIFASE 87
III) GENERATORI TRIFASE 89
IV) CARICHI TRIFASE 90
V) POTENZA TRIFASE 93
iii
VI) INSERZIONE ARON 96
VII) CAMPO MAGNETICO ROTANTE 98
CAPITOLO XI,
RETI TRIFASI NOTEVOLI 102
I) COLLEGAMENTO A STELLA CON NEUTRO DI GENERATORE E CARICO 102
II) COLLEGAMENTO DI STELLA DI GENERATORI E DI STELLA
DI IMPEDENZE SENZA NEUTRO 103
III) COLLEGAMENTO DI TRIANGOLO DI GENERATORI E
DI TRIANGOLO DI IMPEDENZE 105
IV) COLLEGAMENTO A TRIANGOLO DEL GENERATORE
E A STELLA DELL’UTILIZZATORE 107
V) COLLEGAMENTO A STELLA DEL GENERATORE E A TRIANGOLO
DEL CARICO 109
iv
PARTE II
MACCHINE ELETTRICHE (CAP. XII-XVI)
CAPITOLO XII,
TRASFORMATORI 116
I) CIRCUITI ACCOPPIATI 116
II) TRASFORMATORE IDEALE 118
II) VERSO IL TRASFORMATORE REALE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA 121
III) VERSO IL TRASFORMATORE REALE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA E DISPERSIONE
DEL FLUSSO 126
IV) VERSO IL TRASFORMATORE REALE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA,
DISPERSIONE DEL FLUSSO
E RESISTENZA NEGLI AVVOLGIMENTI 130
V) TRASFORMATORE REALE 131
VI) FUNZIONAMENTO A VUOTO DEL TRASFORMATORE REALE 134
VI) FUNZIONAMENTO IN CORTOCIRCUITO DEL
TRASFORMATORE REALE 135
VII) MISURA DEI PARAMETRI DEGLI SCHEMI EQUIVALENTI 137
VII) FUNZIONAMENTO A CARICO 139
VIII) RENDIMENTO DEL TRASFORMATORE 141
IX) VALORI NOMINALI, DATI DI TARGA 142
X) COLLEGAMENTO DI TRASFORMATORI MONOFASE 144
XI) CENNI COSTRUTTIVI 147
CAPITOLO XIII,
TRASFORMATORE TRIFASE E
TRASFORMATORI SPECIALI 150
I) CENNI COSTRUTTIVI 150
II) SCHEMA EQUIVALENTE E PARAMETRI
DEL TRASFORMATORE TRIFASE 153
v
III) TRASFORMATORI SPECIALI 155
CAPITOLO XIV,
MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI 159
I) PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 159
II) STRUTTURA DELLE MACCHINE ROTANTI 163
III) POTENZE E PERDITE NELLE MACCHINE ROTANTI 165
CAPITOLO XV,
MACCHINE SINCRONE 167
I) GENERALITA’ 167
II) VALORI NOMINALI 168
II) F.E.M. DELLA MACCHINA SINCRONA TRIFASE 168
III) FUNZIONAMENTO A VUOTO 176
III) FUNZIONAMENTO A CARICO 176
IV) FUNZIONAMENTO IN CORTOCIRCUITO 181
V) COMPORTAMENTO ELETTRICO 182
VI) COMPORTAMENTO ELETTROMECCANICO 183
VII) COMPORTAMENTO DINAMICO 186
VIII) AVVIAMENTO DELLA MACCHINA SINCRONA 189
CAPITOLO XVI,
MACCHINE ASINCRONE 190
I) GENERALITA’ 190
II) VALORI NOMINALI 191
II) INDUZIONE AL TRAFERRO 191
III) ROTORE FERMO 193
IV) ROTORE LIBERO 195
V) POTENZA, COPPIA E RENDIMENTO 198
VI) SCHEMA EQUIVALENTE SEMPLIFICATO
E DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI 199
vi
VII) DIAGRAMMA CIRCOLARE 201
VIII) STABILITA’ E AVVIAMENTO 206
IX) REGOLAZIONE DELLA VELOCITA’ 208
X) GENERATORE ASINCRONO 209
XI) MOTORE ASINCRONO MONOFASE 209
1
CAPITOLO I,
BIPOLI
I) DEFINIZIONI GENERALI E POTENZE
DEFINIZIONE,
BIPOLO. Un bipolo è la schematizzazione di un
componente elettrico a due morsetti del quale si
intende definire semplicemente
1)la corrente ai morsetti
2)la tensione ai morsetti
Affinchè un componente possa essere
schematizzato con un bipolo esso deve soddisfare
le due seguenti proprietà:
1)la corrente che entra ad un morsetto deve essere pari a quella che esce dall’altro, cioè la corrente
che lo attraversa deve essere solenoidale;
2)la tensione fra i due morsetti deve coincidere
con una differenza di potenziale, cioè il bipolo
deve essere sede di un campo elettrico
conservativo.
DEFINIZIONE,
CONVENZIONE DA UTILIZZATORE.
Un bipolo si dice convenzionato da utilizzatore se
il verso positivo della corrente è fissato entrante
nel morsetto positivo.
DEFINIZIONE,
CONVENZIONE DA GENERATORE.
Un bipolo si dice convenzionato da generatore se
il verso positivo della corrente è fissato uscente
dal morsetto positivo.
DEFINIZIONE,
CARATTERISTICA ESTERNA DEL BIPOLO. Si definisce caratteristica esterna del bipolo la
legge che lega la tensione alla corrente. Tale legge sarà del tipo ifu . E’ evidente che essa
dipende anche dalla convenzione adottata per il bipolo.
DEFINIZIONE,
POTENZA DI UN BIPOLO.
Dato un bipolo comunque convenzionato definiamo sua potenza il prodotto
tituP
essendo tu la tensione ai suoi capi e ti la corrente che lo attraversa.
A questo punto si ha che
2
1)la potenza si dice uscente se il bipolo è convenzionato da generatore ed essa si dice
a)erogata se è positiva,
b)assorbita se è negativa;
2)la potenza si dice entrante se il bipolo è convenzionato da utilizzatore ed essa si dice
a)erogata se è negativa,
b)assorbita se è positiva.
II) I BIPOLI ATTIVI
DEFINIZIONE,
BIPOLO GENERATORE IDEALE DI TENSIONE. Il bipolo generatore ideale di tensione è un
componente realizzato in modo che la sua caratteristica esterna sia
titetu ,
Ove te è una funzione assegnata del tempo. Questa caratteristica vale con i riferimenti di corrente
e tensione che riportiamo sul simbolo del bipolo.
DEDUZIONE,
POTENZA USCENTE DAL BIPOLO
GENERATORE IDEALE DI TENSIONE. La
potenza uscente dal bipolo generatore ideale di
tensione è, in base alla definizione di potenza
uscente, data da
tetitutitp
DEFINIZIONE,
BIPOLO GENERATORE IDEALE DI
CORRENTE. Il bipolo generatore ideale di
corrente è un componente realizzato in modo che la
sua caratteristica esterna sia
tutjti ,
ove tj è una funzione assegnata del tempo.
DEDUZIONE,
POTENZA USCENTE DAL BIPOLO GENERATORE IDEALE DI CORRENTE. La potenza
uscente dal bipolo generatore ideale di corrente è, in base alla definizione di potenza uscente, data
da
tutjtutitp
3
III) I BIPOLI PASSIVI
DEFINIZIONE,
BIPOLO RESISTORE. Il bipolo resistore è un
componenete realizzato in modo che la sua
caratteristica esterna sia
Rtitu
quando il bipolo è convenzionato da utilizzatore.
DEDUZIONE,
POTENZA ENTRANTE NEL BIPOLO RESISTORE. In base alla definizione di potenza
entrante, la potenza entrante in un bipolo resistore è
Rtitutitp 2
DEFINIZIONE,
BIPOLO INDUTTORE. Il bipolo induttore è un
componenete realizzato in modo che la sua
caratteristica esterna sia
t
duL
titidt
tidLtu
0
10
quando il bipolo è convenzionato da utilizzatore.
DEDUZIONE,
BIPOLO INDUTTORE IN CONDIZIONI STAZIONARIE. In condizioni stazionarie si ha
0
dt
tidLtu
dunque il bipolo induttore è, in condizioni stazionarie, equivalente ad un cortocircuito.
DEDUZIONE,
POTENZA ENTRANTE NEL BIPOLO INDUTTORE. In base alla definizione di potenza
entrante, la potenza entrante in un bipolo induttore è
dt
tidL
dt
tidLtitutitp
2
2
1
DEFINIZIONE,
BIPOLO CONDENSATORE. Il bipolo
condensatore è un componente realizzato in modo
che la sua caratteristica esterna sia
4
t
diC
tutudt
tudCti
0
10
quando il bipolo è convenzionato da utilizzatore.
DEDUZIONE,
BIPOLO CONDENSATORE IN CONDIZIONI STAZIONARIE. In condizioni stazionarie si
ha
0
dt
tudCti
dunque il bipolo condensatore è, in condizioni stazionarie, equivalente ad un circuito aperto.
DEDUZIONE,
POTENZA ENTRANTE NEL BIPOLO CONDENSATORE. In base alla definizione di potenza
entrante, la potenza entrante in un bipolo condensatore è
dt
tudCtu
dt
tudCtutitp
2
2
1
DEFINIZIONE,
BIPOLO CORTOCIRCUITO. Il bipolo cortocircuito è un bipolo resistore a resistenza nulla. La
sua caratteristica esterna è infatti
titu ,0
Si tratta di un bipolo a potenza nulla.
DEFINIZIONE,
BIPOLO CIRCUITO APERTO. Il bipolo circuito aperto si può pensare come un bipolo resistore
a conduttanza nulla. La sua caratteristica esterna è infatti
tuti ,0
Si tratta di un bipolo a potenza nulla.
IV) EQUIVALENZA FRA BIPOLI. CASO GENERALE
DEFINIZIONE,
EQUIVALENZA FRA BIPOLI. Due bipoli si dicono
equivalenti se, adottando per essi la stessa convenzione,
essi presentano la stessa caratteristica esterna, cioè la
stessa relazione fra tensione e corrente ai morsetti.
DEFINIZIONE,
SERIE DI DUE BIPOLI E BIPOLO SERIE. Due
bipoli 1B e 2B sono detti in serie quando entrambi hanno
un morsetto connesso allo stesso nodo, nodo a cui non
5
sia collegato alcun altro bipolo. Il bipolo serie è l’insieme dei due bipoli (indicato in grigio in
figura). Le sue grandezze esterne sono la corrente e la tensione ai nodi A e B che indichiamo,
rispettivamente, corrente I e tensione U.
Applicando la LKC al nodo intermedio fra i due bipoli si trova
titi 21
Applicandola poi al nodo B si ha
titi 2
Per cui in definitiva
titii 21
Applicando la LKT alla maglia rappresentata dalla rete più il bipolo serie si ha
tutuu 21
La corrente e la tensione del bipolo serie devono soddisfare dunque alle relazioni
titii 21
tutuu 21
OSSERVAZIONE,
SERIE IMPOSSIBILI.
1)Non può essere realizzata la serie tra un generatore ideale di corrente con corrente non nulla ed un
circuito aperto.
2)Non può essere realizzata la serie fra due generatori ideali di corrente con corrente diversa.
DEFINIZIONE,
PARALLELO DI DUE BIPOLI GENERICI E BIPOLO PARALLELO. Due bipoli 1B e 2B
sono detti in parallelo quando hanno i morsetti connessi a due a due nei nodi A e B. Il bipolo
parallelo è l’insieme dei due bipoli (indicato in grigio in figura). Le sue grandezze esterne sono la
corrente e la tensione ai nodi A e B che indichiamo,
rispettivamente, corrente I e tensione U.
Applicando la LKC a uno dei due nodi di giunzione dei
due bipoli si ha
Risulta inoltre
21 tututu
La corrente e la tensione del bipolo serie devono
soddisfare dunque alle relazioni
21 tititi
tititi 21
6
21 tututu
OSSERVAZIONE,
PARALLELI IMPOSSIBILI.
1)Non può essere realizzato il parallelo tra un generatore ideale di tensione con tensione non nulla
ed un circuito chiuso.
2)Non può essere realizzato il parallelo fra due generatori ideali di tensione con tensione diversa.
V) EQUIVALENZA FRA BIPOLI. APPLICAZIONI
DEDUZIONE,
SERIE DI RESISTORI. Consideriamo un bipolo serie costituito da n resistori di resistenza iR per
i che va da 1 ad n.
Convenzionandolo da utilizzatore, per quanto detto sul bipolo serie, si ha
n
i
i
n
i
ii
n
i
i
n
RtitiRtutu
titititi
111
21 ...
Dunque la resistenza equivalente è
n
i
ieq RR1
DEDUZIONE,
FORMULA DEL PARTITORE DI TENSIONE RESISTIVO. E’ quella formula che fornisce
l’espressione della tensione al generico bipolo resistivo della serie di resistori in funzione della
tensione e della resistenza del bipolo serie. Si ha
n
i
i
i
iiii
R
RtutiRtiRtu
1
DEDUZIONE,
PARALLELO DI RESISTORI. Consideriamo un bipolo parallelo costituito da n resistori iR per i
che va da 1 ad n. Convenzionandolo da utilizzatore, per quanto detto sul bipolo parallelo, si ha
tutututu
Rtu
R
tutiti
n
n
i i
n
i i
in
i
i
...
1
21
111
Dunque la resistena equivalente è
n
i ieq RR 1
11
7
DEDUZIONE,
FORMULA DEL PARTITORE DI CORRENTE RESISTIVO. E’ quella formula che fornisce
l’espressione della corrente al generico bipolo resistivo del parallelo di resistori in funzione della
tensione e della resistenza del bipolo parallelo. Si ha
n
i i
iii
i
i
RR
ti
R
tu
R
tuti
1
1
DEDUZIONE,
SERIE DI BIPOLI INDUTTORI. Consideriamo un bipolo serie costituito da n bipoli induttori di
induttanza iL per i che va da 1 ad n. Convenzionandolo da utilizzatore, per quanto detto sul bipolo
serie, si ha
n
i
i
n
i
ii
n
i
i
n
Ldt
tid
dt
tidLtutu
titititi
111
21 ...
Dunque l’induttanza equivalente è
n
i
ieq LL1
DEDUZIONE,
PARALLELO DI BIPOLI INDUTTIVI. Consideriamo un bipolo parallelo costituito da n bipoli
induttori di induttanza iL per i che va da 1 a n. Convenzionandolo da utilizzatore, per quando detto
sul bipolo parallelo, si ha
tutututu
Ldutidu
Ltiti
n
n
i i
tn
i
i
n
i
t
i
i
i
...
10
10
21
1011 0
Dunque l’induttanza equivalente è
n
i ieq LL 1
11
se questa è attraversata nell’istante iniziale dalla corrente
n
i
i titi1
00
DEDUZIONE,
SERIE DI BIPOLI CONDENSATORI. Consideriamo un bipolo serie costituito da n bipoli
condensatori di conduttanza iC per i che va da 1 ad n. Convenzionandolo da utilizzatore, per
quanto detto sul bipolo serie, si ha
8
n
i i
tn
i
i
n
i
t
i
i
i
n
Cditudi
Ctutu
titititi
1011 0
21
10
10
...
Dunque la capacità equivalente è
n
i ieq LC 1
11
se la sua tensione all’istante iniziale è
n
i
i tutu1
00
DEDUZIONE,
PARALLELO DI BIPOLI CAPACITIVI. Consideriamo un bipolo parallelo costituito da n bipoli
condensatori di induttanza iC per i che va da 1 ad n. Convenzionandolo da utilizzatore, per quando
detto sul bipolo parallelo, si ha
tutututu
Cdt
tud
dt
tudCtiti
n
n
i
i
n
i
i
i
n
i
i
...21
111
Dunque la capacità equivalente è
n
i
ieq CC1
VI) EQUIVALENZA FRA BIPOLI. TRASFORMAZIONI
TRIANGOLO-STELLA E STELLA-TRIANGOLO
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONI TRIANGOLO-STELLA PER BIPOLI RESISTIVI. Consideriamo un
triangolo di bipoli resistivi come
quello rappresentato a sinistra
nella figuara. Consideriamo poi
una stella di resistori, a destra nella
figura. Vogliamo trovare la stella
equivalente ad un triangolo
assegnato, cioè una stella che vista
da ciascuna porta abbia la stessa
resistenza del triangolo visto dalla
medesima porta. Si trova per tali
formule l’espressione seguente
9
12
231323121312
3
13
231323121312
2
23
231323121312
1
132312
2313
3
132312
2312
2
132312
1312
1
G
GGGGGGG
G
GGGGGGG
G
GGGGGGG
RRR
RRR
RRR
RRR
RRR
RRR
DIMOSTRAZIONE. Consideriamo i nodi 1 e 2 del triangolo. Inseriamo fra essi un generatore
ideale di tensione, come in figura. La LKC al nodo 2 ci fornisce
1) tititi 12312
La LKT alla maglia 1 e alla maglia 2 ci fornisce
rispettivamente
2) 12
12R
teti
3) 1323
1212
123RR
Rtiti
Sostituendo la 2 nella 3 e questa nella 1 abbiamo
dunque
4) 132312
132312
RRR
RRRteti
Mettendo lo stesso generatore ideale di tensione fra i nodi 1 e 2 del triangolo otteniamo per la
corrente del generatore stesso l’espressione
5) 21
1
RRteti
Per l’equivalenza delle due configurazioni di
resistori fra i morsetti 1 e 2 basta ora imporre che,
data la stessa tensione fra essi, si abbia la stessa
corrente. Basta cioè imporre l’uguaglianza fra i
secondi membri della 4 e della 5. Facendo ciò si
trova
6)
132312
132312
21RRR
RRRRR
Operando allo stesso modo fra i morsetti 1 e 3 si
trova
10
7)
132312
231213
31RRR
RRRRR
Operando allo stesso modo fra i morsetti 2 e 3 si trova
8)
132312
131223
32RRR
RRRRR
Con semplici passaggi algebrici la 6, la 7 e la 8 forniscono le formule di trasformazione cercate.
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONI STELLA-TRIANGOLO PER BIPOLI RESISTIVI. Le trasformazioni
inverse a quelle viste, cioè quelle che permettono di avere il triangolo equivalente a una stella data
sono le seguenti
321
32
23
321
31
13
321
21
12
1
323121
23
2
323121
13
3
323121
12
GGG
GGG
GGG
GGG
GGG
GGG
R
RRRRRRR
R
RRRRRRR
R
RRRRRRR
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONE TRIANGOLO-STELLA PER BIPOLI INDUTTIVI. Valgono le
seguenti trasformazioni, formalmente analoghe a quelle vite per i bipoli resistivi.
12
231323121312
3
13
231323121312
2
23
231323121312
1
132312
2313
3
132312
2312
2
132312
1312
1
LLL
LLL
LLL
LLL
LLL
LLL
La lettera gamma maiuscola indica il reciproco della induttanza.
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONI STELLA-TRIANGOLO PER BIPOLI INDUTTIVI. Valgono le
seguenti trasformazioni, formalmente analoghe a quelle vite per i bipoli resistivi.
11
321
32
23
321
31
13
321
21
12
1
323121
23
2
323121
13
3
323121
12
L
LLLLLLL
L
LLLLLLL
L
LLLLLLL
La lettera gamma maiuscola indica il reciproco della induttanza.
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONI TRIANGOLO-STELLA PER BIPOLI CAPACITIVI. Valgono le
seguenti trasformazioni formalmente analoghe a quelle della trasformazione inversa per bipoli
resistivi (e dunque induttivi).
132312
1323
3
132312
2312
2
132312
1312
1
12
231323121312
3
13
231323121312
2
23
231323121312
1
SSS
SSS
SSS
SSS
SSS
SSS
C
CCCCCCC
C
CCCCCCC
C
CCCCCCC
La lettera esse maiuscola indica il reciproco della capacità.
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONI STELLA-TRIANGOLO PER BIPOLI CAPACITIVI. Valgono le
seguenti trasformazioni formalmente analoghe a quelle della trasformazione inversa per bipoli
resistivi (e dunque induttivi).
2
323121
13
1
323121
23
3
323121
12
321
31
13
321
32
23
321
21
12
S
SSSSSSS
S
SSSSSSS
S
SSSSSSS
CCC
CCC
CCC
CCC
CCC
CCC
La lettera esse maiuscola indica il reciproco della capacità.
VI) GENERATORI NORMALI
DEFINIZIONE,
GENERATORE NORMALE DI TENSIONE.
Definisco generatore normale di tensione la serie tra un generatore
ideale di tensione ed un resistore. Se applico la convenzione da
generatore al bipolo serie (vedi figura) ottengo per la corrente e la
tensione quanto segue
12
DEFINIZIONE,
GENERATORE NORMALE DI CORRENTE.
Definisco generatore normale di corrente il parallelo tra un generatore
ideale di corrente ed un resistore. Se applico la convenzione da
generatore al bipolo parallelo (vedi figura) ottengo per la corrente e la
tensione quanto segue
Rtitetututu
tititi
21
21
titjRtu
tGutjtGutjtititi
221
13
CAPITOLO II,
RETI ELETTRICHE
I) DEFINIZIONI GENERALI
DEFINIZIONE,
RETE ELETTRICA. Definiamo rete elettrica (o, per brevità, rete) la interconnessione di più
bipoli.
DEFINIZIONE,
NODI DI UNA RETE ELETTRICA. I punti nei quali sono uniti più bipoli sono detti nodi di una
rete. Il numero dei nodi di una rete li indichiamo con la lettera n.
DEFINIZIONE,
LATI DI UNA RETE ELETTRICA. I collegamenti fra coppie di nodi di una rete sono detti lati di
una rete. Il numero dei lati di una rete lo indichiamo con la lettera l.
DEFINIZIONE,
MAGLIA DI UNA RETE ELETTRICA. Definiamo maglia di una rete elettrica ogni insieme di
suoi lati che soddisfi alle seguenti due proprietà:
1) ogni lato della maglia può essere raggiunto da ciascun altro lato della maglia percorrendo la
maglia stessa;
2) in ciascun nodo della maglia concorrono solo due lati della maglia stessa.
DEFINIZIONE,
GRAFO DI UNA RETE ELETTRICA. Il grafo di una rete elettrica è una rappresentazione
grafica della rete in cui i nodi sono rappresentati con punti ed i lati con curve.
DEFINIZIONE,
RETE ELETTRICA PLANARE. Una rete elettrica si definisce planare se il suo grafo può essere
disegnato in modo che i lati non si intersechino fra loro.
DEFINIZIONE,
ANELLO DI UNA RETE ELETTRICA. Definiamo anello di una rete elettrica ogni maglia che
orli una superficie del foglio, in cui è riportato il grafo della rete, la quale non sia attraversata da lati
della rete stessa. Il numero di anelli di una rete lo indichiamo m.
DEDUZIONE,
NUMERO DI ANELLI DI UNA RETE. Il numero di anelli di una rete è dato dal numero dei lati
della stessa, meno il numero dei nodi diminuito di uno. Cioè
1 nlm .
14
II) LE LEGGI DI KIRCHHOFF
DEDUZIONE,
LEGGE DI KIRCHHOFF DELLE CORRENTI (LKC). In ogni rete elettrica, scelto comunque
un nodo, si ha che la somma algebrica delle correnti dei lati che convergono in quel nodo, è nulla
istante per istante.
Con la dizione ‘somma algebrica’ si intende che le correnti con verso entrante nel nodo vanno
sommate, quelle con verso uscente vanno sottratte.
DEDUZIONE,
EQUAZIONI LINEARMENTE INDIPENDENTI FORNITE DALLA LKC. Un sistema di
equazioni linearmente indipendenti nelle incognite delle correnti fornite dalla LKC è quello che si
ottiene dalla applicazione della LKC a n-1 nodi della rete comunque scelti.
DEDUZIONE,
LEGGE DI KIRCHHOFF DELLE TENSIONI (LKT). In ogni rete elettrica, scelta comunque
una maglia, si ha che la somma algebrica delle tensioni dei lati della maglia è nulla istante per
istante.
Con la dizione ‘somma algebrica’ si intende che, fissato un verso arbitrario di percorrenza della
maglia, le tensioni con verso positivo concorde a tale verso di percorrenza vanno sommate, quelle
con verso positivo discorde vanno sottratte.
DEDUZIONE,
EQUAZIONI LINEARMENTE INDIPENDENTI FORNITE DALLA LKT. Un sistema di
equazioni linearmente indipendenti nelle incognite delle tensioni fornite dalla LKT è quello che si
ottiene dalla applicazione della stessa agli m anelli della rete.
III) SOLUZIONE DI UNA RETE ELETTRICA
DEFINIZIONE,
SISTEMA DI EQUAZIONI TOPOLOGICHE DI UNA RETE ELETTRICA. L’insieme delle
n-1 equazioni L.I. nelle correnti fornite dalla applicazione della LKC a n-1 nodi della rete elettrica e
delle m=l-(n-1) equazioni L.I. nelle tensioni fornite dalla applicazione della LKT agli m anelli della
rete elttrica fornisce un sistema di l equazioni L.I. nelle correnti e tensioni. Tale sistema viene detto
sistema delle equazioni topologiche della rete.
OSSERVAZIONE,
SISTEMA DI EQUAZIONI TOPOLOGICHE DI UNA RETE ELETTRICA. Il sistema di
equazioni topologiche di una rete elettrica non dipende dalla natura dei suoi bipoli, ma solo dalla
sua forma, ovvero dalla sua topologia. Ciò giustifica la dizione di equazioni toplogiche.
DEFINIZIONE,
SISTEMA DI EQUAZIONI TIPOLOGICHE. L’insieme delle l caratteristiche esterne degli l
bipoli degli l lati di una rete elettrica fornisce un sistema di l equazioni. Tale sistema è definito
sistema delle equazioni tipologiche.
DEFINIZIONE,
SOLUZIONE DI UNA RETE ELTTRICA. Diciamo soluzione di una rete elttrica il calcolo delle
tensioni e delle correnti di ciascuno dei suoi lati.
15
DEDUZIONE,
TEOREMA DI TELLEGEN. In ogni rete elettrica, convenzionati tutti i bipoli da utilizzatori, la
somma delle loro potenze è nulla istante per istante. Ovvero, convenzionati tutti i bipoli da
generatori, la somma delle loro potenze è nulla istante per istante. Ovvero, convenzionati i bipoli
alcuni da utilizzatori, altri da generatori, allora la somma delle potenze degli utilizzatori (detta
potenza assorbita) è pari a quella delle potenze dei generatori (detta potenza generata).
In realtà il teorema di Tellegen ha una enunciazione più sottile (di cui quella indicata è una
particolarizzazione). Essa ricorda quella del teorema dei lavori virtuali. Vedi in proposito le
dispense del prof. Geri a pag. 39.
IV) METODO GENERALE DI ANALISI DI UNA RETE
ELETTRICA
DEFINIZIONE,
METODO GENERALE DI ANALISI DI UNA RETE ELETTRICA. Per metodo generale di
analisi di una rete elettrica intendiamo l’applicazione della LKC ad n-1 nodi e l’applicazione della
LKT agli m anelli. La risoluzione del sistema in 2xl equazioni (le l equazioni topologiche più le l
equazioni tipologiche) e 2xl incognite (le l correnti e le l tensioni di lato) può essere controllata
vedendo se tale soluzione della rete verifica il teorema di Tellegen.
ESEMPIO,
METODO GENERALE DI ANALISI PER UNA RETE ELETTRICA LINEARE.
Consideriamo la rete elettrica in figura. Il suo numero di nodi è n=4, il suo numero di lati è l=6
mentre il suo numero di anelli risulta m=l-(n-1)=6-3=3. Procediamo alla sua risoluzione col metodo
generale di analisi il quale dovrà fornirci un sistema lineare di 6 equazioni nelle 6 incognite delle
correnti.
Applicando la LKC ai nodi 1,2,3 abbiamo
0
0
0
321
543
642
III
III
III
16
Applicando la LKT alle maglie 1,2,3 si ha poi
0
0
0
46544
44433322
622111
EEERI
ERIRIERI
ERIIRE
Riordinando il nostro sistema abbiamo
65444
43443322
612211
321
543
642
00000
000
0000
0000
0000
0000
EEERI
EERIRIRI
EERIIR
III
III
III
che scritto in forma matricile diviene
654
43
61
6
5
4
3
2
1
4
432
21
0
0
0
00000
000
0000
000111
011100
101010
EEE
EE
EE
I
I
I
I
I
I
R
RRR
RR
Attribuendo i seguenti valori numerici alle costanti
VEEEEE
RRRR
10
5
65431
4321
si ottiene il sistema
VI
I
I
I
I
I
30
0
0
0
0
0
005000
005550
000055
000111
011100
101010
6
5
4
3
2
1
risolvendo il quale si ottengono le correnti seguenti
AIAIAIAIAIAI 8,10,6,4,2,2 654321
17
Per verificare il risultato ottenuto calcoliamo le potenze uscenti dai generatori e verifichiamo che
siano pari a quelle entranti nei resistori.
La somma delle potenze uscenti è
WWWWWWEIEIEIEIEI 30010810101061041026655443311
La somma delle potenze entranti è
WWWWWRIRIRIRI 300565452522222
4
2
43
2
32
2
21
2
1
e la verifica è positiva.
ESEMPIO,
METODO GENERALE DI ANALISI PER UNA RETE ELETTRICA LINEARE.
Consideriamo la rete elettrica in figura. Il suo numero di nodi è n=4, il suo numero di lati è l=6
mentre il suo numero di anelli risulta m=l-(n-1)=6-3=3. Procediamo alla sua risoluzione col metodo
generale di analisi.
Si ricorda, prima di procedere che, per un generatore normale di corrente convenzionato come in
figura si ha la caratteristica esterna seguente
IJRUGUJI
Applicando la LKC ai nodi 1,2,3 abbiamo
0
0
00
321
543
642642642
III
III
JIIJIIIII
Applicando la LKT agli anelli 1,2,3 si ha
18
0
0
22111555444
44433322
2211122111
RIIJRRIJRJI
RJIRJIRI
identitàRIRIJRIRIJ
Risrivendo ordinatamente le 5 equazioni trovate (una equazione di anello è una identità), si ha il
sistema
55441155442211
4433443322
321
543
642
0
0
000
000
000
RJRJRJRIRIRIRI
RJRJRIRIRI
III
III
JII
che scritto in forma matriciale diviene
554411
4433
6
5
4
3
2
1
5421
432
0
0
0
00
00111
11100
01010
RJRJRJ
RJRJ
J
I
I
I
I
I
RRRR
RRR
Attribuendo i seguenti valori numerici alle costanti
AJJJJJ
RRRRR
2
5
65431
54321
si ottiene il sistema
V
A
I
I
I
I
I
10
0
0
0
2
55055
05550
00111
11100
01010
5
4
3
2
1
risolvendo il quale si ottengono le correnti
AIAIAIAIAIAI 2,75.1,25.1,5.0,75.0,25.0 654321
Per verificare il risultato ottenuto calcoliamo le potenze uscenti dai generatori e verifichiamo che
siano pari a quelle entranti nei resistori.
Le potenze uscenti dai generatori normali di corrente sono
WIJRIIJRIIJRIIJRI 1875.275555444433331111
19
La potenza uscente dal generatore ideale di corrente è
WIJRRIIVVI 30111226106
La potenza entrante nel resistore del secondo lato è
WRI 8125.22
2
2
Dunque la potenza totale uscente dai generatori è
WWW 8125.21875.2730
Quella entrante nell’unico utilizzatore è
W8125.2
La verifica dellla soluzione dà quindi esito positivo.
20
CAPITOLO III,
RETI LINEARI
I) SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI
DEFINIZIONE,
RETE LINEARE. Una rete in regime stazionario è definita lineare se i parametri E, J, R sono delle
costanti.
DEDUZIONE,
ESISTENZA ED UNICITA’ DELLA SOLUZIONE. In una rete lineare le n-1+m=l equazioni
topologiche e le l equazioni tipologiche costituiscono un sistema lineare di 2xl per 2xl equazioni,
avente come incognite le tensioni e le correnti di lato (2xl incognite) con matrice dei coefficenti a
determinante diverso da zero. Un sistema linerae cioè risolubile a soluzione unica.
DEDUZIONE,
TEOREMA DI SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI. In una rete lineare
1)la tensione di un lato comunque scelto è pari alla somma delle tensioni che ciascun generatore
ideale produce in quel lato quando sono annullate le grandezze impresse da ciascuna altro
generatore ideale della rete elettrica;
2)la corrente di un lato comunque scelto è pari alla somma delle correnti che ciascun generatore
ideale produce in quel lato quando sono annullate le grandezze impresse da ogni altro generatore
ideale della rete elettrica.
Si ricorda che annullare la tensione impressa da un generatore ideale di corrente significa sostituirlo
con un cortocircuito, mentre annullare la corrente impressa da un generatore ideale di corrente
significa sostituirlo con un circuito aperto.
DIMOSTRAZIONE. Il sistema risolvente della rete lineare è costituito dalle l equazioni
tipologiche (date dalle caratteristiche esterne degli l bipoli) le quali possono scriversi
equazioni
l
resistoriRIU
corrente
ideali
generatori
JI
tensione
ideali
generatori
EU
e dalle l equazioni topologiche (date dalla applicazione della LKT agli m anelli e dalla applicazione
della LKC agli n-1 nodi) le quali possono scriversi
21
equazioni
l
equazioni
nI
equazioni
mU
nodo
maglia
10
0
Nell’insieme si ha dunque un sistema lineare di 2xl equazioni in 2xl incognite in cui la matrice dei
coefficienti ha coefficienti del tipo 1,-1,0,R e il vettrore dei termini noti ha elementi dati dalla
somma algebrica delle correnti imposte e delle tensioni imposte. Detta M la matrice dei coefficienti,
X il vettore delle incognite (le tensioni e lecorrenti di lato) e Y il vettroe dei termini noti, si ha
dunque il sistema
YMX 1
Supponiamo adesso che gli unici generatori ideali presenti nella rete siano tre. Se chiamo iY il
vettore dei termini noti della rete che ottengo annullando i generatori che non siano l’i-mo
generatore allora ho
3213
1
2
1
1
1
321
11 XXXYMYMYMYYYMYMX
cioè appunto la tensione del lato h-mo è data da
(la tensione del lato h-mo che si ha quando è attivo solo il primo generatore)+
(la tensione del lato h-mo che si ha quando è attivo solo il secondo generatore)+
(la tensione del lato h-mo che si ha quando è attivo solo il terzo generatore)
Lo stesso dicasi per la corrente al lato h-mo. Ciò prova la tesi.
OSSERVAZIONE,
NON SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI PER LE POTENZE. L’enunciato del teorema
di sovrapposizione degli effetti si può riassumere scrivendo
c
j
hJ
t
i
hEh
c
j
hJ
t
i
hEh
ji
ji
III
UUU
11
11
dove la tensione del lato h-mo è data dalla sommatoria delle tensioni del lato stesso dovute a
ciascuno dei t generatori ideali di tensione a cui si aggiunge la somma delle tensioni dovute a
ciascuno dei c generatori ideali di corrente. Ciascuna di queste tensioni si intende ottenuta
annullando tutti gli altri genratori ideali della rete elettrica. Stesso discorso vale per la corrente del
lato h-mo.
Con questa simbologia la potenza del lato h-mo si scrive
c
j
hJ
t
i
hE
c
j
hJ
t
i
hEhhh jijiUUIIUIP
1111
22
Supponiamo ora, per semplificare la scrittura, che sia t=c=2, cioè supponiamo di avere due
generatori ideali di corrente e due generatori ideali di tensione. Allora la posizione precedente si
scrive
21212
21211
21212
21211
21212121
hJhJhEhEhJ
hJhJhEhEhJ
hJhJhEhEhE
hJhJhEhEhE
hJhJhEhEhJhJhEhEhhh
UUUUI
UUUUI
UUUUI
UUUUI
UUUUIIIIUIP
Se ora invece pensassimo di poter calcolare la potenza del lato h-mo usando una supposta proprietà
di sovrapposizione degli effetti per le potenze che fosse analoga a quella vista per correnti e tensioni
avremmo per la potenza del lato h-mo
22112211 hJhJhJhJhEhEhEhEh UIUIUIUIP
che è la potenza determinata in tale lato da ogni generatore ideale quando sono annullati tutti gli
altri. Ma è evidente che otterremmo un risultato sbagliato.
II) GENERATORI EQUIVALENTI
DEDUZIONE,
TEOREMA DI THEVENIN ( DEL GENERATORE DI TENSIONE EQUIVALENTE). Sia
data una rete lineare di cui siano accessibili i due soli morsetti A e B. Convenzionando da
generatore tale bipolo si ha che esso è equivalente ad un generatore normale di tensione il quale
abbia
1) f.e.m. pari alla tensione a vuoto1 della rete fra i
morsetti A e B;
2) resistenza pari alla resistenza interna2 della rete fra
i morsetti A e B.
DIMOSTRAZIONE. Dobbiamo trovare la
caratteristica esterna3 del bipolo costituito dalla rete,
convenzionata da generatore, fra i morsetti A e B e provare che essa sia quella di un generatore
normale di tensione avente f.e.m. pari alla tensione a vuoto della rete fra i morsetti A e B (che
indichiamo 0U ) e resistenza pari alla resistenza interna (che indichiamo iR ). Cioè dobbiamo
provare che la caratteristica esterna della rete sia
IRUU i 0
A tale scopo inseriamo fra i due morsetti della rete un generatore ideale di corrente avente J pari ad
I. In base al teorema di sovrapposizione degli effetti la tensione U è pari alla somma della tensione
1 La tensione a vuoto è quella che si ha quando fra i due morsetti è messo un interruttore aperto. 2 La resistenza interna è quella vista fra i morsetti quando le f.e.m. dei generatori ideali di tensione sono poste pari a
zero e le correnti dei generatori ideali di corrente sono poste uguali a zero. 3 La caratteristica esterna è la funzione U=f(I) di un bipolo.
23
alla porta AB quando J=0 (che è la tensione a vuoto 0U ) e della tensione alla porta AB quando sono
azzerati i generatori ideali di tensione e corrente all’interno della rete (che è pari JRi ). Si ha
dunque
IRUJRUU ii 00
e la tesi è dimostrata.
COROLLARIO,
RESISTENZA INTERNA E CORRENTE DI CORTOCIRCUITO. Si consideri la rete del
precedente teorema. Allora detta ccI la corrente alla porta AB quando questa è posta in
cortocircuito, ebbene si ha
cc
iI
UR 0
DIMOSTRAZIONE. Si deve considerare la caratteristica esterna ottenuta per la rete alla porta AB
nel precedente teorema e considerare il caso in cui i morsetti A e B siano in cortocircuito, cioè il
caso in cui sia 0U . Si ha
cc
i
i
I
UR
U
IRUU00
0
La tesi è dimostrata.
DEDUZIONE,
TEOREMA DI NORTON (DEL GENERATORE
DI CORRENTE EQUIVALENTE). Sia data una rete
lineare di cui siano accessibili i due soli morsetti A e B.
Convenzionando da generatore tale bipolo si ha che
esso è equivalente ad un generatore normale di corrente
il quale abbia
1) corrente pari alla corrente di cortocircuito della rete
fra i morsetti A e B;
2) resistenza pari alla resistenza interna della rete
fra i morsetti A e B.
DIMOSTRAZIONE. Dobbiamo trovare la
caratteristica esterna del bipolo costituito dalla
rete, convenzionata da generatore, fra i morsetti A
24
e B, e provare che essa sia quella di un generatore normale di corrente avente corrente pari alla
corrente di cortocircuito della rete fra i morsetti A e B (che indichiamo ccI ) e resistenza pari alla
resistenza interna (che indichiamo iR ). Cioè dobbiamo provare che la caratteristica esterna della
rete sia
i
ccR
UII .
A tale scopo inseriamo fra i due morsetti della rete un generatore ideale di tensione avente E pari
ad U. In base al teorema di sovrapposizione degli effetti la corrente I è pari alla somma della
corrente alla porta AB quando E=0 (che è la corrente di cortocircuito ccII ) e della corrente alla
porta AB quando sono azzerati i generatori ideali di tensione e corrente all’interno della rete (che è
pari iR
U ). Si ha dunque
i
ccR
UII
e la tesi è dimostrata.
DEDUZIONE,
GENERATORI NORMALI
EQUIVALENTI. Dato un generatore normale
di tensione, quale ne è l’equivalente Norton? Viceversa, dato un
generatore normale di corrente quale ne è l’equivalente Thévenin?
Prendiamo un generatore normale di tensione e calcoliamone la
corrente di cortocircuito. In base alla LKT si ha
EGIRIE cccc 0
Dunque, in base al teorema di Norton, il generatore normale di
corrente equivalente al generatore normale di tensione è quello
avente corrente impressa J=EG e resistenza R.
Viceversa il generatore normale di tensione equivalente ad un
generatore normale di corrente dato è quello la cui tensione
impressa si E=RJ e la cui resistenza sia R.
III) TEOREMA DI SOSTITUZIONE E FORMULA DI MILLMANN
DEDUZIONE,
TEOREMA DI SOSTITUZIONE. Sia data una rete lineare in regime stazionario. Sia hU la
tensione del lato h-mo e hI la relativa corrente. Allora si ha che
1)la soluzione della rete non cambia se sostituisco al lato h-mo un generatore ideale di tensione con
tensione hUE ;
2)la soluzione della rete non cambia se sostituisco al lato h-mo un generatore ideale di corrente con
corrente hIJ .
25
DIMOSTRAZIONE.
1)Si consideri la rete in figura. Essa è costituita da una rete (rete A, convenzionata da generatore)
accessibile dai morsetti 1 e 2 e da un bipolo (bipolo B, convenzionato da utilizzatore) ad essa
collegato. In base al teorema di Thévenin la tensione U è pari a
IRUU i 0
dove 0U è la tensione a vuoto della rete A (la tensione fra i morsetti 1 e 2 quando fra essi c’è un
circuito aperto) e iR è la resistenza interna della rete A (la resistenza fra i morsetti 1 e 2 quando i
generatori ideali di tensione della rete sono sostituiti con cortocircuiti e i generatori ideali di
corrente della rete sono sostituiti con circuiti aperti). Ora se sostituisco al bipolo B un generatore
ideale di tensione (con le convenzioni di figura per tensione e corrente) avente f.e.m. IRUE i 0
ho senz’altro la stessa tensione, fra i morsetti 1 e 2, della rete di partenza. Ho anche la stessa
corrente? Detta X la corrente che circola nella maglia costituita dall’equivalente Thévenin della rete
A e dal generatore ideale di tensione, la LKT (con i riferimenti adottati) si scrive
I
R
IRUU
R
EUXEXRU
i
i
i
i
000
0 0
Dunque tensione e corrente ai morsetti 1 e 2 non variano e il teorema è dimostrato.
2)Nel procedimento precedentemente seguito si sostituisca al bipolo B un generatore ideale di
corrente (con gli stessi riferimenti di tensione e corrente adottati per il generatore ideale di tensione)
avente corrente IJ . Per verificare la tesi dobbiamo provare che la tensione ai morsetti 1 e 2 sia
ancora IRUU i 0 . Detta X la tensione ai morsetti 1 e 2, se applico la LKT alla maglia costituita
dall’equivalente Thévenin della rete A e dal generatore ideale di corrente ottengo
26
UIRUJRUXXJRU iii 000 0
Dunque tensione e corrente ai morsetti 1 e 2 non variano e il teorema è dimostrato.
COROLLARIO,
INTERRUTTORE APERTO CON TENSIONE NULLA.
1)In una rete lineare un interruttore aperto che abbia tensione nulla può essere chiuso senza che in
esso passi corrente, cioè senza modificare la soluzione della rete.
2)In una rete lineare un interruttore chiuso con corrente nulla può essere aperto senza che appaia
tensione ai suoi morsetti, cioè senza modificare la soluzione della rete.
DIMOSTRAZIONE. Se l’interruttore ha tensione nulla ciò significa che, in base al teorema di
sostituzione, posso sostituirlo con un generatore ideale di tensione a tensione nulla senza modificare
la soluzione della rete. Ma un generatore ideale di tensione a tensione nulla equivale ad un circuito
chiuso. Dunque posso chiudere il circuito senza modificare la soluzione della rete, cioè senza che
in esso passi corrente.
Facendo il ragionamento inverso possiamo dire che un circuito chiuso con corrente nulla può essere
sostituito, per il teorema di sostituzione, con un generatore ideale di corrente a corrente nulla, senza
modificare la soluzione della rete. Ma un generatore ideale di corrente a corrente nulla equivale ad
un circuito aperto. Dunque posso aprire il circuito senza modificare la soluzione della rete, cioè
senza che ai suoi morsetti si generi potenziale.
DEDUZIONE,
FORMULE DI MILLMANN.
1)Il generatore normale di tensione equivalente (l’equivalente Thévenin) di una rete costituita dal
parallelo di n generatori normali di tensione ha tensione e resistenza date rispettivamente da
n
h h
th
n
h h
n
h h
h
th
R
R
R
R
E
E
1
1
1
1
1
1
dove vale il segno positivo per gli addendi che si riferiscono a generatori con f.e.m. concordi a
quella del generatore Thévenin (come in figura).
27
2)Il generatore normale di tensione equivalente (l’equivalente Thévenin) di una rete costituita dal
parallelo di n generatori normali di corrente ha tensione e resistenza date rispettivamente da
n
h h
th
n
h h
n
h
h
th
R
R
R
J
E
1
1
1
1
1
1
dove vale il segno positivo per gli addendi che si riferiscono a generatori idelai di corrente con
riferimento di tensione concorde con quello del generatore Thévenin (come in figura).
3)Il generatore normale di corrente (equivalente Norton) di una rete costituita dal parallelo di n
generatori normali di tensione ha corrente e resistenza date rispettivamente da
n
h h
No
n
h h
h
No
R
R
R
EJ
1
1
1
1
dove vale il segno positivo con le convenzioni indicate in figura per i generatori ideali, il segno
negativo altrimenti.
4)Il generatore normale di corrente (equivalente Norton) di una rete costituita dal parallelo di n
generatori
normali di
corrente ha
corrente e
resistenza date
rispettivamente da
n
h h
No
n
h
hNo
R
R
JJ
1
1
1
1
dove vale il segno positivo con le convenzioni adottate in figura per i generatori ideali, il segno
negativo altrimenti.
5)Il generatore normale di tensione equivalente (l’equivalente Thévenin) di una rete costituita dalla
serie di n generatori normali di tensione ha tensione e resistenza date rispettivamente da
28
n
h
hth
n
h
hth
RR
EE
1
1
dove vale il segno più nel caso in cui i generatori ideali di tensione siano convenzionati come in
figura, il segno meno altrimenti.
6)Il generatore normale di tensione equivalente (l’equivalente Thévenin) di una rete costituita dalla
serie di n generatori normali di corrente ha tensione e resistenza date rispettivamente da
hth
n
h h
n
h
h
th
RR
R
J
E
1
1
1
dove vale il segno più per le convenzioni in figura.
7)Il generatore normale di corrente (equivalente Norton) di una rete costituita dalla serie di n
generatori normali di tensione ha corrente e resistenza date rispettivamente da
n
h
hNo
n
h
h
n
h
h
No
RR
R
E
J
1
1
1
dove vale il segno più per le convenzioni adottate in figura.
8)Il generatore normale di corrente (equivalente Norton) di una rete costituita dalla serie di n
generatori normali di corrente
n
h
hNo
n
h
h
n
h
hh
No
RR
R
RJ
J
1
1
1
DIMOSTRAZIONE.
1)Si guardi la figura. La tensione a vuoto della serie è data, in base alla LKT, da
iii RIEU 0
In base alla LKC si ha poi
29
01
n
i
iI
Esplicitando dunque la prima espressione rispetto le correnti e sostituendo queste nella sommatoria
si ha
n
i i
n
i i
i
n
i i
n
i i
in
i i
i
R
R
E
UR
UR
E
R
UE
1
1
0
1
0
11
0
1
10
Le somme sono qui tutte positive perché i generatori ideali di tensione sono convenzionati
concordemente al generatore Thévenin.
2)Si guardi la figura. la tensione a vuoto della seri è, in base alla LKT, data da
iii RIJU 0
In base alla LKC si ha poi
01
n
i
iI
Esplicitando dunque la prima espressione rispetto le correnti e sostituendo queste nella sommatoria
si ha
n
i i
n
i
in
i i
n
i
i
n
i i
i
R
J
UR
UJR
UJ
1
1
0
1
0
11
0
1
10
Le somme sono qui tutte positive perché i generatori ideali di corrente hanno convenzione di
tensione concorde a quella del generatore Thévenin.
IV) RENDIMENTO E ADATTAMENTO DEL CARICO
DEFINIZIONE,
RENDIMENTO DEL GENERATORE NORMALE DI TENSIONE. Prendiamo in
considerazione un generatore normale di tensione collegato ad un utilizzatore rappresentato da una
resistenza uR . I riferimenti siano quelli indicati nella figura. Definiamo rendimento del generatore
normale di tensione il rapporto tra la potenza uscente dal bipolo generatore normale di tensione e
quella uscente dal generatore ideale di tensione. Indicato η tale grandezza si ha
30
E
IR
IE
RI uu 2
Osservando ora che, in base alla LKT, si ha
ui
uiRR
EIIRIRE
0
il rendimento si scrive
ui
u
ui
u
u
uiuu
RR
R
ERR
ER
E
RRR
E
E
IR
IE
RI
2
.
Se diciamo potenza dissipata del generatore normale la potenza entrante nella sua resistenza interna,
ponendo
2
2
2
ui
i
idRR
RERIP
e se diciamo potenza generata del generatore normale di tensione la potenza uscente dal generatore
ideale di tensione, ponendo
ui
gRR
EIEP
2
allora si potrà scrivere il rendimento anche come
g
dg
P
PP
OSSERVAZIONE,
RENDIMENTO IN FUNZIONE DELLA RESISTENZA DELL’UTILIZZATORE. Studiamo
l’andamento del rendimento in funzione della resistenza dell’utilizzatore. Si osserva che esso
tende all’unità quando la resistenza dell’utilizzatore
tende all’infinito e questo perché, in tal caso, non
passa corrente nella rete e dunque non si ha
dissipazione di energia a causa della resistenza
interna del generatore normale.
Esso vale inoltre 0.5 nel caso si abbia uguaglianza tra
resistenza dell’utilizzatore e resistenza interna del
generatore normale di tensione.
OSSERVAZIONE,
31
POTENZA USCENTE DAL GENERATORE NORMALE DI TENSIONE IN FUNZIONE
DELLA RESISTENZA DELL’UTILIZZATORE. La potenza uscente dal generatore normale di
tensione, detta potenza erogata dal generatore, risulta data dalla potenza generata meno la potenza
dissipata. Dunque si ha
2
222
2
ui
u
ui
i
ui
ui
idg
RR
ER
RR
ER
RR
EP
RR
EI
RIIEPPP
Le derivate prima e seconda della funzione uRPP sono le seguenti
4
2
2
2
3
2
24
ui
ui
u
ui
ui
u
RR
RRE
dR
Pd
RR
RRE
dR
dP
e ciò giustifica l’andamento riportato per la
funzione.
DEDUZIONE,
TEOREMA DEL MASSIMO TRASFERIMENTO DI POTENZA. La potenza erogata dal
generatore normale di tensione, ovvero la potenza uscente dal generatore normale di tensione,
ovvero la potenza trasferita dal generatore normale di tensione al carico, è massima quando iu RR
e vale
uR
EP
4
2
In tali condizioni il rendimento del generatore normale di
tensione vale
2
1
g
dg
P
PP
DIMOSTRAZIONE. Basta considerare l’andamento della
funzione uRPP analizzata nella osservazione qui sopra e
quello della funzione uR analizzata più sopra.
DEDUZIONE
COROLLARIO. Si consideri il circuito in figura. Il massimo trasferimento di potenza della rete al
carico si realizza quando iu RR , dove iR è la resistenza interna della rete, ovvero la resistenza
equivalente della rete quando tutti i suoi generatori sono azzerati. Il valore della potenza uscente
dalla rete in tali condizioni è
32
uR
UP
4
2
0
dove 0U è la tensione a vuoto fra i morsetti A e B, ovvero la tensione che si ha fra essi quando
viene sostituito il carico con un circuito aperto.
Tuttavia il rendimento della rete non sarà, in tali condizioni, pari a 0,5.
DIMOSTRAZIONE. Sostituita la rete con il suo equivalente Thévenin si ottiene la tesi applicando
al circuito così ottenuto il risultato del precedente teorema.
Per quello che riguarda il rendimento, esso è diverso da quello dell’equivalente Thévenin poiché
diversa sara la potenza dissipata e quella generata della rete rispetto a quelle dell’equivalente
Thévenin. Per capire questo fatto si segua l’esempio qui riportato.
ESEMPIO,
EQUIVALENTE THEVENIN. Si consideri la rete in figura. Si trova che l’equivalente Thévenin
della parte in evidenza è caratterizzato da tensione e resistenza date da
2,
2
RR
EE ThTh
Ne segue, per il teorema precedente, che la massima potenza uscente dalla porta AB si ha quando la
resistenza del carico è pari alla resistenza dell’equivalente Thévenin e vale
R
E
R
E
R
EP
Th
Th
82
4
4
22
2
Si vuole ora però far notare come l’equivalente Thévenin,
sebbene possa fornirci l’espressione della potenza uscente
dalla porta AB, non ci possa dare la misura della potenza
dissipata dalla rete che sostituisce, ne della potenza generata
della stessa rete.
Infatti, osservato che
u
u
r
u
u
g
u
RRR
ERI
RRR
RREI
RR
EI
2
2
2
si ha che la potenza dissipata dalla rete evidenziata è
2
22222
2
22
u
uu
rgdRRR
RRRRERIRIP
mentre quella dissipata nell’equivalente Thévenin è
33
2
22
22 u
ThdThRR
RERIP
Come si vede le due potenze dissipate non sono uguali! E lo stesso discorso vale per le potenze
generate. Infatti la potenza generata dalla rete di partenza è
u
ugg
RRR
RREEIP
2
2
mentre quella generata dall’equivalente Thévenin è
u
ThgThRR
EIEP
22
2
Tutto questo ci fa concludere anche che il rendimento della rete di partenza e del suo equivalente
Thèvenin non coincidono. In effetti il rendimento della rete di partenza è
uu
u
u
u
u
uu
u
u
g
dg
RRRR
RR
RRR
RRE
RRR
RRRRE
RRR
RRE
P
PP
2
2
2
22
22
2
2222
mentre il rendimento dell’equivalente Thèvenin è
u
u
u
uu
gTh
dThgTh
ThRR
R
RR
E
RR
RE
RR
E
P
PP
2
2
22
22222
2
22
Questo vuol dire che, in condizioni di adattamento del carico, il rendimento della rete originaria non
vale necessariamente 0,5. In effetti in tali condizioni si ha
6
1
3
5,0
3
2
2
2
2
222
22
22
2
R
R
RRRR
R
RR
RR
RR
RRu
CAPITOLO IV,
METODO RISOLUTIVO DELLE MAGLIE PER
RETI LINEARI
ESEMPIO,
34
UNA RETE CON SOLI GENERATORI IDEALI DI TENSIONE. Consideriamo la rete
elettrica in figura. Il suo numero di nodi è n=4, il suo numero di lati è l=6mentre il suo numero di
anelli risulta m=l-(n-1)=6-3=3. Procedendo alla sua risoluzione col metodo generale di analisi si
perviene al sistema 6x6 seguente
65444
43443322
612211
321
543
642
00000
000
0000
0000
0000
0000
EEERI
EERIRIRI
EERIIR
III
III
III
Attribuendo i seguenti valori numerici alle costanti
VEEEEE
RRRR
10
5
65431
4321
si ottiene la soluzione
AIAIAIAIAIAI 8,10,6,4,2,2 654321
Si vuole ora mostrare come risolvere la rete con un numero minore di equazioni. A tale scopo si
inseriscano delle correnti fittizie, dette correnti di maglia. Esse scorrono all’interno delle 3 maglie in
verso orario. La corrente di maglia della prima maglia la chiameremo 1mI , quella della seconda
maglia la chiameremo 2mI , e così via.
Le correnti effettive si esprimono in termini di correnti di maglia nel modo seguente
35
316
35
324
23
212
11
mm
m
mm
m
mm
m
III
II
III
II
III
II
Sostituendo tali espressioni nel sistema risolvente la rete si ha
6543424
4334243212
6122121
654432
4343232212
6121211
2121
3322
313212
00
00
00
0
0
0
EEEIRIR
EEIRIRRRIR
EEIRIRR
EEERII
EERIIRIRII
EERIIIR
IIII
IIII
IIIIII
mm
mmm
mm
mm
mmmmm
mmm
mmmm
mmmm
mmmmmm
Si vede che le tre equazioni dovute all’applicazione della LKC divengono delle identità. Ci si riduce
così ad un sistema 3x3 che scritto in forma vettoriale risulta
654
43
61
3
2
1
44
44322
221
0
0
EEE
EE
EE
I
I
I
RR
RRRRR
RRR
m
m
m
e riarrangiando i segni abbiamo
654
43
61
3
2
1
44
44322
221
0
0
EEE
EE
EE
I
I
I
RR
RRRRR
RRR
m
m
m
Attribuiamo ora alle costanti i valori numerici già indicati. Si ottiene il sistema
VI
I
I
m
m
m
30
0
0
550
5155
0510
3
2
1
Risolvendo si trovano le correnti di maglia
AIAIAI mmm 10,4,2 321
Ricaviamo in fine le correnti effettive
36
AAAIII
AII
AAAIII
AII
AAAIII
AII
mm
m
mm
m
mm
m
8102
10
6104
4
224
2
316
35
324
23
122
11
E torna il risultato trovato col metodo generale di analisi.
Estrapoliamo ora da questo esempio una regola generale per la risoluzione di reti con soli generatori
ideali di tensione.
DEDUZIONE,
METODO DI RISOLUZIONE DELLE MAGLIE. Data una rete elettrica con soli generatori
ideali di tensione, introdotte le correnti di maglia con verso positivo orario, allora si ha che il
sistema risolvente nelle incognite delle correnti di maglia ha
1)matrice dei coefficenti simmetrica in cui
a)il termine i-mo della diagonale principale è pari alla somma delle resistenze della i-ma
maglia,
b)il termine ij-mo fuori della diagonale principale è pari alla resistenza comune alla maglia i
e alla maglia j, cambiata di segno;
2)vettore dei termini noti con termine i-mo pari alla somma algebrica delle tensioni dei generatori
ideali di tensione della maglia i-ma, presi con verso positivo se hanno tensione concorde al verso
della corrente di maglia, con verso negativo altrimenti.
ESEMPIO,
UNA RETE CON GENERATORI IDEALI DI CORRENTE. Prendiamo la rete in figura. Ad
essa non può essere direttamente applicato il metodo delle maglie in quanto sono presenti anche
generatori ideali di corrente. Vediamo dunque di trasformarla in modo tale da togliere questo
impedimento. Si consideri allora che la rete può essere disegnata nel modo seguente.
37
Procediamo ora a trasformare secondo Thévenin alcune porzioni della rete in modo da eliminare i
generatori ideali di corrente.
Si consideri la maglia in alto a sinistra fra i nodi 0 e 3. Per essa si ha
11
1211
RR
RJEE
Th
Th
Si consideri ora la maglia fra i nodi 0 e 1 sotto quella precedentemente considerata. Per essa si ha
66
6266
RR
RJEE
Th
Th
Dunque la rete si disegna ora nel modo seguente.
Procediamo ora a trasformare secondo Thévenin la maglia inferiore di questa rete in modo da
togliere l’ultimo generatore ideale di corrente. Si ha
64645
46562645464626546465
RRRRR
RRJRJEEJRRERJEJRREEE
ThTh
ThThTh
La rete dunque la disegnamo ora nel modo seguente.
La rete è ridotta dunque ad una sola maglia senza generatori ideali di tensione e può risolversi ora
col metodo delle maglie.
38
Inserendo infatti una corrente di maglia avente verso positivo orario, applicando la regola generale,
abbiamo
531351 ThThmThTh EEEIRRR
che, inserendo i parametri della rete originaria, diviene
6431
4656126431
46561264316431
465626431216431
465626431213641
RRRR
RRJRRJEEEEI
RRJRRJEEEEIRRRR
RRJRJEEERJEIRRRR
RRJRJEEERJEIRRRR
m
m
m
m
Si deve a questo punto risalire alle correnti originarie. Si osservi a tal proposito che
55
3
22
JI
II
JI
m
Applicando ora la LKC ai nodi 0,2,3 si ha rispettivamente
m
m
IJIII
JIIII
III
2321
5534
516
Per cui, ricapitolando, si trova la soluzione
52516
55
5534
3
22
2321
JIJIII
JI
JIIII
II
JI
IJIII
m
m
m
m
39
Se introduciamo i valori numerici
VEEEE
AJJ
RRRR
10
2
5
6431
52
4321
otteniamo la soluzione
AJIJIII
AJI
AJIIII
AII
AJI
AAAIII
AAAVVVV
I
m
m
m
m
2
2
0
2
2
022
220
10210210101010
52516
55
5534
3
22
321
Procediamo ora a verificare che la potenza entrante nei resistori sia uguale alla potenza uscente dai
generatori ideali (di corrente e di tensione).
La somma delle potenze entranti nei resistori è
WWWWWRIRIRIRI 4052052022
6
2
64
2
43
2
31
2
1
La potenza uscente dai generatori ideali di tensione è
WWWWWEIEIEIEI 4010210010210066443311
La potenza uscente dai generatori ideali di corrente è
WWWVVJVVJ 0102102205132
dove si è calcolato con la LKT che
VVV
VVV
10
10
13
20
La soluzione risulta dunque verificata.
OSSERVAZIONE,
SOLUZIONE DI UNA RETE CON GENERATORI IDEALI DI CORRENTE
ATTRAVERSO IL METODO DELLE MAGLIE. Quello che si voleva mostrare nell’esempio
precedente è che una rete con generatori ideali di corrente può essere sempre tarasformata in modo
da avere solo generatori ideali di tensione ed in modo dunque da poter applicare ad essa il metodo
delle maglie. Se infatti il generatore ideale di corrente è in parallelo ad un resistore, allora il
generatore normale di corrente che ne risulta pùo essere trasformato in un generatore normale di
40
tensione applicando il teorema di Thévenin. Altrimenti si procede come visto nel precedente
esempio, cioè ‘spostando’ il generatore ideale di corrente.
41
CAPITOLO V,
METODO RISOLUTIVO DEI NODI PER RETI
LINEARI
ESEMPIO,
UNA RETE CON SOLI GENERATORI IDEALI DI CORRENTE. Consideriamo la rete
elettrica in figura. Il suo numero di nodi è n=4, il suo numero di lati è l=6 mentre il suo numero
di anelli risulta m=l-(n-1)=6-3=3. Procedendo alla sua risoluzione col metodo generale di analisi si
perviene al sistema 6x6 seguente
55441155442211
4433443322
321
543
642
654
432
621
321
543
642
0
0
000
000
000
0000
0000
0000
000
000
000
RJRJRJRIRIRIRI
RJRJRIRIRI
identità
III
III
JII
UUU
UUU
UUU
III
III
JII
Attribuendo i seguenti valori numerici alle costanti
AJJJJJ
RRRRR
2
5
65431
54321
si ottiene la soluzione
AIAIAIAIAIAI 2,75.1,25.1,5.0,75.0,25.0 654321
Si vuole ora mostrare come risolvere la rete con un numero minore di equazioni. A tale scopo si
considerano i potenziali ai singoli nodi. Si indica iV il potenziale al nodo i-mo. Si assegna inoltre il
potenziale al nodo zero ponendo 00 V . Con tali posizioni le tensioni di lato si scrivono
42
1106
2205
214
323
312
3301
VVVU
VVVU
VVU
VVU
VVU
VVVU
Se ricordiamo poi che nei generatori normali di tensione convenzionati come in figura la
caratteristica esterna si scrive
abbiamo, per le correnti di lato, le seguenti espressioni
255520555
24144421444
23333323333
2321222
311130111111
VGJIVVGJI
VGVGJIVVGJI
VGVGJIVVGJI
GVGVGUI
VGJIVVGJUGJI
Sostituendo tali espressioni nel sistema risolvente la rete si
ha
00
00
00
0000
0000
0000
000
000
000
3132133221
54333543241
642342421
1221
212331
1313
233332321311
2552414423333
6241442321
JJGGGVGVGV
JJJGVGGGVGV
JJGVGVGGV
VVVV
VVVVVV
VVVV
VGVGJGVGVVGJ
VGJVGVGJVGVGJ
JVGVGJGVGV
Si vede che le tre equazioni dovute all’applicazione della LKT divengono delle identità. Ci si riduce
così ad un sistema 3x3 che scritto in forma vettoriale risulta
IJRUGUJI
43
31
543
64
3
2
1
32132
35434
2442
JJ
JJJ
JJ
V
V
V
GGGGG
GGGGG
GGGG
e riarrangiando i segni abbiamo
31
543
64
3
2
1
32132
35434
2442
JJ
JJJ
JJ
V
V
V
GGGGG
GGGGG
GGGG
Attribuiamo ora alle costanti i valori numerici già indicati. Si ottiene il sistema
0
6
0
6.02.02.0
2.06.02.0
2.02.04.0
3
2
1
A
V
V
V
SSS
SSS
SSS
Risolvendo si trovano i potenziali di nodo
VVVVVV 25.11,75.18,15 321
Inserendo queste espressioni in quelle delle correnti di lato si ha
AJI
AVSAVGJI
AVSVSAVGVGJI
AVSVSAVGVGJI
AAASVSVGVGVGUI
AAAVSAVGJI
2
75.175.182.02
25.175.182.0152.02
5.075.182.025.112.02
75.025.232.025.112.015
25.025.2225.112.02
66
2555
241444
233333
2321222
3111
E torna il risultato trovato col metodo generale di analisi.
Estrapoliamo ora da questo esempio una regola generale per la risoluzione di reti con soli generatori
ideali di corrente.
DEDUZIONE,
METODO DI RISOLUZIONE DEI NODI. Data una rete elettrica con soli generatori ideali di
corrente, introdotti i potenziali dei nodi e posto nullo il potenziale del nodo di riferimento, allora si
ha che il sistema risolvente nelle incognite dei potenziali ha
1)matrice dei coefficenti simmetrica in cui
a)il termine i-mo della diagonale principale è pari alla somma delle conduttanze dei lati che
convergono nel nodo i-mo,
b)il termine ij-mo fuori della diagonale principale è pari alla conduttanza del lato che collega
direttamente il nodo i-mo al nodo j-mo, cambiata di segno;
44
2)vettore dei termini noti con termine i-mo pari alla somma algebrica delle correnti dei generatori
ideali di corrente dei lati che convergono al nodo i-mo, presi con verso positivo se hanno corrente
entrante nel nodo, con verso negativo altrimenti.
ESEMPIO,
UNA RETE CON GENERATORI IDEALI DI TENSIONE. Prendiamo la rete in figura. Ad essa
non può essere direttamente applicato il metodo dei nodi in quanto sono presenti anche generatori
ideali di tensione. Vediamo dunque di trasformarla in modo tale da togliere questo impedimento.
Inseriamo tre generatori ideali di tensione di tipo 3E , uno nel alto 3, uno nel lato 4 e uno nel lato 5.
I versi dei generatori siano quelli indicati in figura.
45
Ora il lato 3 è un cortocircuito. Sul lato 4 possiamo poi sostituire il generatore normale di corrente
venutosi ad avere con il suo equivalente Norton e sul lato 5 possiamo inserire un generatore ideale
serie. Fatte queste modifiche otteniamo la rete in figura.
Procediamo ora nello stesso modo nei confronti del generatore ideale presente sul lato 5. Rendiamo
cioè equipotenziali i nodi 0 e 2 inserendo sul lato 5 un generatore uguale e contrario a quello già
presente. Per non variare poi le correnti che transitano nella rete occorre inserire lo stesso
generatore sul lato uno. Si ottiene così la rete seguente.
Semplificando la notazione sul lato 5 e trasformando Norton il generatore normale di tensione sul
lato 1 si ha la seguente rete.
Ora, poiché il nodo 3, il 2 e il nodo 0 sono allo stesso potenziale, la rete si ridisegna nel modo
seguente.
Abbiamo così una rete risolvibile col metodo dei
nodi. Il sistema risolvente, in base alla regola
generale sopra indicata, è dunque
42
64
4
3
164
4
3142
GG
JJR
E
VJJR
EVGG
Attribuendo i valori numerici
46
VEE
AJJJ
RRR
10
2
5
53
641
421
si ottiene la soluzione
0
5
5
2
2
5
1
5
1
222
320
1
VVV
VAAAA
V
Ma noi dobbiamo risalire alle correnti della rete di partenza. A tale scopo si osserva intanto che
dall’ultima rete si ricava
AV
R
VVI
AJJIIAV
R
VVI eqRR
15
5
315
5
2
012
444
4
014
Inoltre AJI 266 . Considerando poi il generatore normale di tensione del lato 1 si ha
AAAAV
JR
EEI
EEEVVVVEVVVV
JR
VVI
R
VVJI
eqfinaleinizialeeqinizialefinale
inizialeiniziale
62425
20
0
1
1
53
1
5303030303
1
1
03
1
1
03
11
dove si è dovuto risalire alla differenza di potenziale iniziale fra i nodi.
Applicando la LKC al nodo 3 si ha
AAAIII 516213
Applicando poi la LKC al nodo 0 si ha
AAAJIIIJI 8260 615561
Si conclude dunque che la soluzione della rete di partenza è
AIAIAIAIAIAI 2,8,3,5,1,6 654321
Procediamo ora alla verifica del bilancio energetico. A tale scopo calcoliamo le tensioni ai capi dei
generatori normali di corrente.
VEEVVEEVV 2035305330
47
VVVRIEERIVVVV 155202253223010
VRIERIEEEVVEVV 52232253510521
Allora la potenza erogata dalla rete è
WAVAVAVAVAV
IEJVVIVVIEIVV
581021535510620
5561042133130
La potenza assorbita dalla rete è
WRI 522
La verifica è positiva.
OSSERVAZIONE,
SOLUZIONE DI UNA RETE CON GENERATORI IDEALI DI TENSIONE ATTRAVERSO
IL METODO DEI NODI. Quello che si voleva mostrare nell’esempio precedente è che una rete
con generatori ideali di tensione può essere sempre tarasformata in modo da avere solo generatori
ideali di corrente ed in modo dunque da poter applicare ad essa il metodo dei nodi.
48
CAPITOLO VI,
FUNZIONI SINUSOIDALI E FASORI
DEFINIZIONE,
FUNZIONE PERDIODICA E PERIODO. Definiamo funzione periodica di periodo T ogni
funzione taa la quale soddisfia alla relazione
,...2,1,0
n
nTtata
ove T è una quantità detta periodo. Il periodo si misura in secondi (s).
DEFINIZIONE,
CICLO E FREQUENZA DI UNA FUNZIONE PERIODICA.Si dice che una funzione periodica
compie un ciclo in un intervallo di tempo pari al periodo. Il numero di cicli che la funzione compie
in un secondo è detto frequenza della funzione. La frequenza si indica con la lettera f e si misura in
Hertz (Hz) ove 1Hz=1/secondo.
Vale la relazione
Tf
1 .
DEFINIZIONE,
VALORE MEDIO, VALORE EFFICACE E FATTORE DI FORMA DI UNA FUNZIONE
PERIODICA. Data una funzione periodica definiamo le grandezze seguenti:
m
f
T
T
m
A
AK
forma
di
fattore
dttaT
Aefficace
valore
dttaT
Amedio
valore
0
2
0
1
1
DEFINIZIONE,
FUNZIONI PERIODICHE ISOFREQUENZIALI. Funzioni periodiche che abbiano stessa
frequenza (e dunque stesso periodo) sono dette isofrequenziali.
DEFINIZIONE,
FUNZIONE SINUSOIDALE. Da qui in poi
consideriamo particolari funzioni periodiche, ovvero
funzioni del tipo
tAta M sin
che chiameremo funzioni sinusoidali o sinusoidi.
49
DEFINIZIONE,
AMPIEZZA, PULSAZIONE ANGOLARE, FASE INIZIALE E FASE ISTANTANEA
DELLA FUNZIONE SINUSOIDALE. Definiamo ampiezza della funzione sinusoidale (o suo
valore massimo) la grandezza positiva MA . Essa ha la stessa dimensione della funzione sinusoidale
ed inoltre è legata ad essa dalla relazione
ttaAM , .
Definiamo pulsazione angolare della funzione sinusoidale la grandezza ω. Essa si misura in radianti
al secondo.
Definiamo fase iniziale della funzione sinusoidale la grandezza α. Essa si misura in radianti e
verifica la relazione , .
Definiamo fase istantanea della funzione sinusoidale la grandezza t . Essa si misura in
radianti.
DEDUZIONE,
PERIODO E FREQUENZA DI UNA FUNZIONE SINUSOIDALE. Ricaviamo il periodo di
una funzione sinusoidale
222
2sinsin
TTtTt
tTtTtAtATtata MM
La frequenza risulta dunque data da
2
1 Tf .
DEDUZIONE,
VALORE MEDIO, VALORE EFFICACE E FATTORE DI FORMA DI UNA FUNZIONE
SINUSOIDALE. Procediamo alla deduzione, nel caso di funzioni sinusoidali, delle tre grandezze
introdotte per la generica funzione periodica.
MMMMMM
MMMm
AAAdd
Ad
Ad
A
tdtA
tdtA
dttAAmedio
valore
24
2coscos
2sinsin
2sin
2sin
2
sin2
sin2
sin2
2
02
0
2
0
2
2
0
2
0
2
0
2
0
22
2
0
22
2
0
2sin
2sin
2sin
2tdt
Adtt
AdttAA
efficace
valoreMM
M
50
.22
024
2sin
22
2cos1
2sin
2sin
2
2
22
0
22
0
22
0
222
22
MM
MMMMM
AA
AAd
Ad
Ad
A
22
m
fA
AK
forma
di
fattore
Riassumendo abbiamo
M
M
m AA
Amedio
valore636.0
2
MM A
AA
efficace
valore707.0
2
11.122
m
fA
AK
forma
di
fattore
DEDUZIONE,
FUNZIONI SINUSOIDALI ISOFREQUENZIALI E PULSAZIONE. Le funzioni sinusoidali
isofrequenziali hanno la caratteristica di condividere, oltre che alla frequenza ed al periodo, anche la
pulsazione, essendo 21 Tf .
DEFINIZIONE,
FASE DI ANTICIPO. Consideriamo le due funzioni sinusoidali isofrequenziali seguenti:
tBtb
tAta
M
M
sin
sin
Allora diciamo fase di anticipo φ della funzione ta rispetto alla funzione tb la differenza della
fase istantanea della prima rispetto alla fase istantanea della seconda. Si pone cioè:
tt
Si usano poi le seguenti espressioni:
0 le due funzioni sinusoidali sono in fase;
le due funzioni sinusoidali sono dette in opposizione di fase;
22
la funzione ta è detta in quadratura in anticipo rispetto alla funzione
tb ;
22
la funzione ta è detta in quadratura in ritardo rispetto alla funzione tb .
51
OSSERVAZIONE,
INSIEME DELLE FUNZIONI SINUSOIDALI ISOFREQUENZIALI. Assegnata che sia una
certa pulsazione ω abbiamo individuato un insieme di funzioni sinusoidali isofrequenziali avente
quella pulsazione. Tale insieme può scriversi
2,sin2 AtAta .
Si osserva che il numero degli elementi di tale insieme, cioè il numero delle sinusoidi aventi
pulsazione assegnata ω, risulta pari a 2 , pari cioè, ad esempio, al numero di tutti i numeri
complessi.
DEFINIZIONE,
TRASFORMAZIONE DI STEINMETZ. Poiché un insieme di funzioni isofrequenziali ha 2
elementi ha senso cercare una relazione di corrispondenza biunivoca fra gli elementi di tale insieme
e quelli dell’insieme dei numeri complessi.
In particolare definiamo trasformazione di Steinmetz quella relazione biunivoca che associa alla
sinusoide
tAta sin2
il numero complesso
sincos jAAeA j
e viceversa.
DEFINIZIONE,
FASORE DI UNA SINUSOIDE. Definiamo fasore di una sinusoide il numero complesso ad essa
associato dalla trasformazione di Steinmetz.
OSSERVAZIONE,
RAPPRESENTAZIONE GRAFICA DI SINUSOIDI. Consideriamo il piano complesso, cioè
quel piano in cui si riporta in ascissa la parte reale di un numero complesso ed in ordinata la parte
immaginaria del numero complesso stesso. Ogni numero complesso risulta in corrispondenza
biunivoca con un punto del piano complesso ed anche con un vettore che abbia estremo libero in
quel punto ed origine nell’origine del piano complesso.
Dunque, attraverso la trasformazione di Steinmetz, risulta in definitiva, che ogni sinusoide di un
insieme di sinusoidi isofrequenziali è in corrispondenza biunivoca con un punto del piano
complesso.
Si consideri allora la sinusoide
tAta sin2
il cui fasore è
sincos jAAeA j .
La sua rappresentazione nel piano complesso è
quella indicata in figura.
52
OSSERVAZIONE,
FASE DI ANTICIPO SUL PIANO COMPLESSO. Consideriamo le due funzioni sinusoidali
isofrequenziali
tBtb
tAta
sin2
sin2
ed i rispettivi fasori
j
j
BejBB
AejAA
sincos
sincos
Allora la fase di anticipo φ della funzione ta
rispetto alla funzione tb nel piano complesso diviene l’angolo di cui deve ruotare il fasore B per
sovrapporsi al fasore A , assumendo positive le rotazioni antiorarie. Se per esempio risulta
4 questo vuol dire che i due fasori sono
posizionati come in figura.
Riprendendo poi in considerazione gli sfsamenti
notevoli già introdotti potremo dire che sinusoidi
isofrequenziali in fase hanno fasori sovrapposti,
sinusoidi in quadratura hanno fasori che formano un
angolo retto fra loro, sinusoidi in opposizione di fase
hanno invece fasori che formano fra loro un angolo
piatto. In figura è rappresentato il caso in cui il fasore
A sia in quadratura in ritardo rispetto al fasore B .
DEDUZIONE,
SOMMA DI SINUSOIDI ISOFREQUENZIALI. Date le due sinusoidi (con relativi fasori)
j
j
BejBBtBtb
AejAAtAta
sincossin2
sincossin2
la sinusoide somma è quella funzione di pulsazione ω il cui fasore è BAC .
DIMOSTRAZIONE. La sinusoide somma è data da
sinsincoscoscossin2
sincoscossinsincoscossin2
sin2sin2
BAtBAt
tBtBtAtA
tBtAtbtatc
Facendo ora le posizioni
53
coscos
sinsintan
cos2
sinsinsin
coscoscos22
BA
BA
ABBAC
BAC
BAC
otteniamo per la sinusoide somma l’espressione
tCttC
CtCttc
sin2sincoscossin2
sincoscossin2.
D’altra parte il fasore somma dei due fasori dati risulta
sincossincos
sinsincoscos
sincossincos
jCjCC
BAjBA
jBjABAC
che è proprio il fasore della sinusoide tc . E la tesi è dimostrata.
DEDUZIONE,
PRODOTTO DI UNA SINUSOIDE PER UNO SCALARE. Data la funzione sinusoidale (con
relativo fasore)
jAejAAtAta sincossin2
il suo prodotto per lo scalare k è la sinusoide di pulsazione ω il cui fasore è AkB .
DIMOSTRAZIONE. Moltiplicando la funzione ta per lo
scalare k si ha la sinusoide
01
00
sin2sin2
k
kn
ntAktAktkatb
se poi k è nullo il valore di n è indifferente.
Si ottiene dunque la sinusoide (con relativo fasore)
0
0
sincossin2sin2
k
k
AkB
jBBtBtAktkatb
La tesi è pertanto dimostrata.
DEDUZIONE,
DERIVATA DI UNA SINUSOIDE. Data la funzione sinusoidale (con relativo fasore)
54
jAejAAtAta sincossin2
la sua derivata è la sinusoide di pulsazione ω il cui fasore è AjB .
DIMOSTRAZIONE. Deriviamo la sinusoide ta . Abbiamo
2sin2cos2sin
2
tAtAdt
tdA
dt
tad
cioè
2
sin2
AB
tBtbdt
tad
Calcoliamo ora il fasore Aj e vediamo se è veramente il fasore della sinusoide tb .
jj
jj
BeAeAeejAjAj
22sincos
2sin
2cos
ed effettivamente otteniamo il fasore della sinusoide tBtb sin2 .
DEDUZIONE,
INTEGRALE DI UN FASORE. Data la funzione sinusoidale (con relativo fasore)
jAejAAtAta sincossin2
la sua primitiva è la sinusoide di pulsazione ω il cui fasore è Aj
B
.
DIMOSTRAZIONE. Diciamo tb la primitiva di ta . Sia inoltre B il suo fasore. Allora, per la
deduzione precedente risulta
A
jA
jj
jA
jBABjA
dt
Bd
1
Per quanto riguarda la rappresentazione del fasore Aj
B
vediamo di esprimerlo in maniera più
esplicita.
55
221
sincos2
sin2
cos1
sincos2
sin2
cos1
jj
j
eA
Aee
jAj
jAjAj
B
e il fasore primitiva risulta in quadratura in anticipo rispetto al fasore dato.
OSSERVAZIONE,
CALCOLO SIMBOLICO. L’introduzione di trasformate secondo Steinmetz permette di sostituire
a operazioni integrali e differenziali su funzioni sinusoidali operazioni algebriche su numeri
complesi. Questa notevole semplificazione giustifica l’introduzione dei fasori. Il calcolo attraverso
fasori è anche detto calcolo simbolico.
DEDUZIONE,
PRODOTTO DI UN FASORE PER IL CONIUGATO DI UN SECONDO FASORE. Siano
dati i due fasori seguenti
sincos
sincos
jBBeB
jAAeA
j
j
Ricordando che il coniugato del fasore B è il fasore
sincos*
jBBeB j
vogliamo calcolare il prodotto *
BA . Si ha
sincos jABABeBeAeBAP jjj
Questo fasore in realtà non ha una sinusoide corrispondente ottenibile operando sulle sinusoidi dei
fasori BA, . Per questo motivo non è indicato come fasore, ma con una scrittura diversa (lettera
maiuscola con punto sopra).
DEDUZIONE,
RAPPORTO FRA FASORI. Siano dati i due fasori seguenti
sincos
sincos
jBBeB
jAAeA
j
j
Il rapporto fra essi è dato da
j
j
j
eB
A
Be
Ae
B
AR
Anche qui vale il discorso precedentemente fatto sulla natura del fasore ottenuto.
56
CAPITOLO VII,
BIPOLI IN REGIME SINUSOIDALE
I) POTENZE
DEDUZIONE,
POTENZA ISTANTANEA. Consideriamo un generico bipolo. Diciamo che sia convenzionato da
utilizzatore. Diciamo che la corrente entrante nel polo negativo sia
tIti sin2
e che la tensione ai suoi capi sia
tUtu sin2
Allora la sua potenza istantanea entrante è data
ttUItitutp sinsin2
Se avessimo considerato un bipolo convenzionato da generatore questa espressione avrebbe
rappresentato la potenza istantanea uscente.
Cerchiamo ora di scriverla in una forma più espressiva. A tale scopo ricordiamo che, in base alle
formule di Prostaferesi, si ha
2
coscos
2sin
2sin
qpqpqp
Quindi ponendo
q
tp 2
abbiamo
cos2cos
cos2cossinsin2
2
cos2cossinsin
22
22
UItUI
tUIttUItp
ttt
tqp
tqp
Dunque la potenza istantanea è esprimibile come somma di un termine periodico (di pulsazione 2ω
e, dunque, di periodo pari a T/2) e di un termine costante.
DEFINIZIONE,
POTENZA FLUTTUANTE E POTENZA COSTANTE. Abbiamo visto che la potenza
istantanea entrante in un utilizzatore (uscente da un generatore) si esprime
57
cos2cos UItUItp
Definiamo potenza fluttuante il termine periodico e poniamo
tUItp f 2cos
mentre definiamo (con grande fantasia) potenza costante il termine costante e poniamo
coscos UItp
DEFINIZIONE,
POTENZA COMPLESSA. Definiamo potenza complessa il prodotto tra il fasore della tensione
del bipolo per il coniugato del fasore della corrente che attraversa il fasore stesso. Si pone
IUS
DEDUZIONE,
ESPRESSIONE DELLA POTENZA COMPLESSA. Sviluppiamo l’espressione fornita come
definizione di potenza complessa.
sincossincos jUIUIjUIUIeIeUeIUS jjj
Si individuano così due termini, entrambi dipendenti dallo sfasamento della tensione rispetto alla
corrente.
DEFINIZIONE,
POTENZA ATTIVA. Definiamo potenza attiva la parte reale della potenza complessa. Poniamo
cosUIP
DEDUZIONE,
SIGNIFICATO FISICO DELLA POTENZA ATTIVA. Si scopre che la potenza attiva, definita
in modo così astratto, non è altro che la media integrale sul periodo T (si può anche considerare la
media integrale sul periodo T/2 della potenza fluttuante, il risultato non cambia) della potenza
istantanea. Si ha cioè
T
dttpT
P0
1
DIMOSTRAZIONE. Calcolando la media integrale si ha
PdttT
UIdtt
T
UITT
00
2coscos2cos
Basta dunque dimostrare che l’integrale a secondo membro sia nullo. Si trova che
58
Tt
t
Tt
t
T
tdt
tdtt
dtt000
2sin2
122cos
2
12cos
T
tt
t
Tt
t2sinsin
2
12sin
2
10
Ricordando ora che 2
T , andando a sostituire abbiamo
0sinsin2
1
sin4coscos4sinsin2
14sinsin
2
1
22sinsin
2
12sinsin
2
12cos
0
t
tt
tT
tdtt
T
E la tesi è dimostrata. Si osservi che allo stesso risultato saremmo giunti se avessimo integrato
anziché sul periodo T della corrente e della tensione, su quello T/2 della potenza fluttuante.
DEDUZIONE,
ALTRO SIGNIFICATO FISICO DELLA POTENZA ATTIVA. Si consideri un circuito con un
generatore ideale di tensione in serie con una resistenza, un induttore ed un condensatore. La
potenza attiva entrante nel bipolo serie dei tre bipoli passivi rappresenta la media, sul periodo T,
della potenza entrante nella sola resistenza.
DIMOSTRAZIONE. La potenza istantanea entrante nel resistore è data da
tRItRitpR
222sin2
La media integrale sul periodo T di tale potenza è
coscos
cossin2cos2sin22
1
2
cossin2
1
sin21
sin211
22
2
0
2
0
22
0
22
0
IUZIRI
RI
tttRI
T
tdtRIT
dttRIT
dttpT
Tt
t
Tt
t
TT
R
DEFINIZIONE,
POTENZA REATTIVA. Definiamo potenza reattiva la parte complessa della potenza complessa.
Poniamo
sinUIQ
59
DEDUZIONE,
SIGNIFICATO FISICO DELLA POTENZA REATTIVA. Si consideri un circuito con un
generatore ideale di tensione in serie con una resistenza e un induttore. La potenza reattiva entrante
nel bipolo serie dei due bipoli passivi rappresenta il valore massimo della potenza istantanea
entrante nella induttanza cioè il valore massimo della potenza da essa assorbita.
Analogamente in un circuito con un generatore ideale di tensione in serie con una resistenza ed un
condensatore la potenza reattiva rappresenta il minimo della potenza istantanea entrante nel
condensatore.
DIMOSTRAZIONE. La potenza istantanea entrante nell’induttore è data da
22sincossin2 22 tLIttLIdt
tdiLtitutitp LL
La media integrale sul periodo T è nulla, infatti
0sin2sinsin
sinsin2
cossin21
222
0
22
0
2
0
2
0
T
LIt
T
LI
tdtT
LIdttt
T
LItp
T
Tt
t
Tt
t
TT
L
Il valore massimo della potenza entrante è invece
sinsin22 UIZILItpMAX L .
La potenza istantanea che invece entra nel condensatore è data da
C
tIt
C
tI
dttC
tIdttI
C
tIdtti
C
titutitp CC
22sincos
sin2
sinsin2
sin2sin2
22
2
Anche qui la media integrale sul periodo risulta nulla, come sopra. Il valore minimo della potenza
entrante è invece
sinsin22
UIZIC
ItpMIN C
OSSERVAZIONE,
POTENZA ATTIVA E CONVENZIONE DEL BIPOLO. Se si cambia convenzione per il bipolo
di cui si esprime la potenza attiva, allora questa cambia di segno. Infatti cambiare il riferimento di
tensione vuol dire cambiare il segno al valore della tensione, ovvero sfasarla di π (in più o in
meno). In tal modo si ha
coscoscos
sinsincoscoscos
UIUI
UIUIP
60
OSSERVAZIONE,
POTENZA REATTIVA E CONVENZIONE DEL BIPOLO. Vale, per la potenza reattiva, lo
stesso discorso fatto per quella attiva. Se si cambia convenzione per il bipolo di cui si esprime la
potenza reattiva, allora questa cambia di segno. Infatti cambiare il riferimento di tensione vuol dire
cambiare il segno al valore della tensione, ovvero sfasarla di π (in più o in meno). In tal modo si ha
sincossin
sincoscossinsin
UIUI
UIUIQ
OSSERVAZIONE,
SFASAMENTI NOTEVOLI E POTENZE ATTIVA E REATTIVA. Vediamo cosa accade alle
due potenze introdotte nel caso dei quattro sfasamenti notevoli tra tensione e corrente.
SFASAMENTO
POTENZA ATTIVA
cosUIP
POTENZA REATTIVA
sinUIQ
TENSIONE E CORRENTE
IN FASE
POTENZA ATTIVA
MASSIMA UIP
POTENZA REATTIVA
NULLA
0Q
TENSIONE E CORRENTE IN
OPPOSIZIONE DI FASE
POTENZA ATTIVA
MINIMA UIP
POTENZA REATTIVA
NULLA
0Q
TENSIONE IN QUADRATURA
IN ANTICIPO SULLA
CORRENTE
2
POTENZA ATTIVA
NULLA 0P
POTENZA REATTIVA
MASSIMA
UIQ
TENSIONE IN QUADRATURA
IN RITARDO SULLA
CORRENTE
2
POTENZA ATTIVA
NULLA 0P
POTENZA REATTIVA
MINIMA
UIQ
DEFINIZIONE,
POTENZA APPARENTE. Chiamiamo potenza apparente il modulo della potenza complessa.
Poniamo
SS
DEDUZIONE,
RELAZIONI TRA LE POTENZE. Riportiamo le definizioni delle quattro potenze seguite da
relazioni immediate fra esse.
22 QPUISS
coscos SUIP
sinsin SUIQ
jQPjSSSeIUS j
sincos
61
DEDUZIONE,
CONSERVAZIONE DELLA POTENZA COMPLESSA. E’ possibile dimostrare che in una rete
in regime sinusoidale, se si convenzionano tutti i bipoli allo stesso modo allora la somma delle
potenze complesse è pari a zero. Equivalentemente si può dire che la somma delle potenze attive e
la somma delle potenze reattive sono entrambe nulle.
II) GENERATORI IDEALI IN REGIME SINUSOIDALE
DEFINIZIONE,
GENERATORE IDEALE DI TENSIONE IN REGIME SINUSOIDALE. Un generatore ideale
di tensione in regime sinusoidale è quel bipolo il quale impone ai morsetti una tensione sinusoidale
Il simbolo usato per questo bipolo è indicato in figura.
DEFINIZIONE,
GENERATORE IDEALE DI CORRENTE IN REGIME SINUSOIDALE. Un generatore
ideale di corrente in regime sinusoidale è un bipolo che
impone ai morsetti una corrente sinusoidale
Il simbolo usato per questo bipolo è quello indicato in figura.
III) RESISTORE IN REGIME SINUSOIDALE
DEFINIZIONE,
RESISTORE IDEALE IN REGIME SINUSOIDALE. Il resistore ideale in regime sinusoidale è
caratterizzato dalla relazione
Se dunque è attraversato dalla corrente
la tensione ai morsetti risulta
tRItu sin2
Dunque il valore efficace e la fase iniziale della tensione sono rispettivamente
RIU
tEtu sin2
tJti sin2
tRitu
tIti sin2
62
DEDUZIONE,
POTENZA ENTRANTE NEL RESISTORE. Nel caso del resistore le potenze assumono i
seguenti valori
2RIPUIS
2cos RISUIP
0sin UIQ
2RIPSSeIUS j
2222 22coscos2cos RItRIRItRItp
Si osserva che la potenza istantanea è non negativa. Ciò è in accordo col fatto che la potenza
entrante di un resistore non può essere negativa. Ciò infatti significherebbe che il resistore sviluppa
potenza elettrica, il che è assurdo.
DEDUZIONE,
ENERGIA ENTRANTE NEL RESISTORE E SIGNIFICATO FISICO DEL VALORE
EFFICACE DELLA CORRENTE. Quanta energia entra in un resistore in un intervallo di tempo
nTt ? Risulta
nTRItP 2
Risulta dunque evidente come la corrente efficace I rappresenti quella corrente costante che
passando nel resistore per un tempo nTt determina un assorbimento di energia pari a quello
determinato, nello stesso intervallo di tempo, dalla corrente sinusoidale tIti sin2 .
DEDUZIONE,
RELAZIONE TRA I FASORI DELLA TENSIONE E DELLA CORRENTE DI UN
RESISTORE IDEALE. I fasori della tensione e della corrente di un resistore si esprimono
rispettivamente
j
j
IeI
UeU
Il legame dei valori efficaci si esprime
IRU
Dunque si ha
IRUR
Ie
Ue
I
U j
j
j
Re
Cioè R è un operatore che trasforma tensione in corrente e viceversa.
RESISTORE IDEALE
Relazione caratteristica tRitu
Corrente ai morsetti tIti sin2
63
Tensione ai morsetti tRItu sin2
Sfasamento della tensione
rispetto la corrente φ=0
Fasore della corrente jIeI
Fasore della tensione jUeU
Espressioni
delle
potenze
2RIS 2RIP
0Q
2RIS
22 22cos RItRItp
Simbolo e convenzione
IV) INDUTTORE IN REGIME SINUSOIDALE
DEFINIZIONE,
INDUTTORE IDEALE IN REGIME SINUSOIDALE. L’induttore ideale in regime sinusoidale
è caratterizzato dalla relazione
dt
tidLtu
Se dunque è attraversato dalla corrente
tIti sin2
la tensione ai morsetti risulta
2
sin2cos2
tILtILtu
Dunque il valore efficace e la fase iniziale della tensione sono rispettivamente
2
LIU
DEFINIZIONE,
REATTANZA INDUTTIVA. Definiamo reattanza induttiva la quantità L e poniamo
LX L
64
DEDUZIONE,
POTENZA ENTRANTE NELL’INDUTTORE. Nel caso dell’induttore le potenze assumono i
seguenti valori
22 IXLIUIS L
02
cos2
cos
UIUIP
2
2sin IXUIUIQ L
222 IjXjSSeSeIUS L
jj
22sin2
sin22sin2
cos22cos
222cos
2cos
22cos
22
222
tIXttIX
tIXIXtIXtp
LL
LLL
Si osserva che la potenza istantanea è oscillante in 22 , IXIX LL . Ciò significa che la potenza
entrante nell’induttore è a volte positiva (potenza assorbita) e a volte negativa (potenza erogata) in
accordo con la proprietà degli induttori di immagazzinare e restituire energia magnetica.
DEDUZIONE,
RELAZIONE TRA I FASORI DELLA TENSIONE E DELLA CORRENTE DI UN
INDUTTORE IDEALE. I fasori della tensione e della corrente di un induttore si esprimono
rispettivamente
j
j
IeI
UeU
2
Il legame dei valori efficaci si esprime
LIXU
Dunque si ha
IjXUjXeX
Ie
Ue
I
ULL
j
Lj
j
22
Cioè LjX è un operatore che trasforma tensione in corrente e viceversa.
INDUTTORE IDEALE
Relazione caratteristica dt
tidLtu
Corrente ai morsetti tIti sin2
Tensione ai morsetti
2
sin2
tIXtu L
65
Reattanza induttiva LX L
Sfasamento della tensione
rispetto la corrente 2
Fasore della corrente jIeI
Fasore della tensione
2
j
L IeXU
Espressioni
delle
potenze
2IXS L
0P 2IXQ L
2IjXS L
22sin2 tIXtp L
Simbolo e convenzione
V) CONDENSATORE IN REGIME SINUSOIDALE
DEFINIZIONE,
CONDENSATORE IDEALE IN REGIME SINUSOIDALE. Il condensatore ideale in regime
sinusoidale è caratterizzato dalla relazione
dt
tudCti
Se dunque è attraversato dalla corrente
tIti sin2
la tensione ai morsetti risulta
2sin2
2sin
2sin2
coscos2cos2cos2
cos2sin2sin20
0
0
000
tC
Itut
C
I
tC
I
C
Id
C
I
dC
Id
C
Id
C
Itutu
tt
ttt
Dunque il valore efficace e la fase iniziale della tensione sono rispettivamente
2
1
C
U
66
DEFINIZIONE,
REATTANZA CAPACITIVA. Definiamo reattanza capacitiva la quantità C1
e poniamo
CX C
1
DEDUZIONE,
POTENZA ENTRANTE NEL CONDENSATORE. Nel caso del condensatore le potenze
assumono i seguenti valori
221IXI
CUIS C
02
cos2
cos
UIUIP
2
2sin
2sin IXUIUIQ C
222 IjXjSSeSeIUS C
jj
22sin2
sin22sin2
cos22cos
222cos
2cos
22cos
22
222
tIXttIX
tIXIXtIXtp
CC
CLC
Si osserva che la potenza istantanea è oscillante in 22 , IXIX CC . Ciò significa che la potenza
entrante nel condensatore è a volte positiva (potenza assorbita) e a volte negativa (potenza erogata)
in accordo con la proprietà dei condensatori di immagazzinare e restituire energia di polarizzazione.
DEDUZIONE,
RELAZIONE TRA I FASORI DELLA TENSIONE E DELLA CORRENTE DI UN
CONDENSATORE IDEALE. I fasori della tensione e della corrente di un condensatore si
esprimono rispettivamente
j
j
IeI
UeU
2
Il legame dei valori efficaci si esprime
CIXU
Dunque si ha
IjXUjXeXIe
Ue
I
UCC
j
Cj
j
22
Cioè CjX è un operatore che trasforma tensione in corrente e viceversa.
67
CONDENSATORE IDEALE
Relazione caratteristica dt
tudCti
Corrente ai morsetti tIti sin2
Tensione ai morsetti
2
sin2
tIXtu C
Reattanza capacitiva C
X C 1
Sfasamento della tensione
rispetto la corrente 2
Fasore della corrente jIeI
Fasore della tensione
2
j
C IeXU
Espressioni
delle
potenze
2IXS C
0P 2IXQ C
2IjXS C
22sin2 tIXtp C
Simbolo e convenzione
DEFINIZIONE,
BIPOLO PASSIVO. Definiamo bipolo passivo un bipolo che non possa erogare potenza attiva. Se
un tale bipolo è convenzionato da utilizzatore la sua potenza attiva dovrà dunque essere non
negativa. In base alla definizione data il resistore, l’induttore ed il condensatore sono tutti bipoli
passivi.
VI) IMPEDENZA
DEFINIZIONE,
IMPEDENZA DI UN UTILIZZATORE. Consideriamo un bipolo convenzionato da utilizzatore.
Diciamo che questo bipolo non possa erogare potenza attiva, cioè che la sua potenza attiva non
possa essere negativa. Diciamo cioè che sia un bipolo passivo.
Per esso definiamo impedenza il rapporto fra fasore della tensione e fasore della corrente. Poniamo
I
UZ
In forma polare l’impedenza si scrive
jj
j
j
eI
Ue
I
U
Ie
Ue
I
UZ
In forma trigonometrica abbiamo
68
Z
Z
IUZ
IUZ
jI
Ue
I
UZ j
arctan
sin
0cos
sincos
La parte reale dell’impedenza è non negativa e questo perché per l’argomento φ dell’impedenza
sussiste un campo di esistenza dettato dalla natura del bipolo, cioè dal suo essere passivo. Infatti
2
,2
0cos0
UIP
DEDUZIONE,
POTENZE DI UNA IMPEDENZA. Consideriamo un generico bipolo passivo, convenzionato da
utilizzatore, di impedenza
Z . Determiniamo le espressioni della potenza complessa, della potenza
apparente, della potenza attiva e di quella reattiva.
2IjZZIIZIUS
222
ZZISS
ZIP 2
ZIQ 2
DEDUZIONE,
IMPEDENZA DEI BIBOLI PASSIVI. Prendiamo in considerazione i tre bipoli passivi studiati,
ovvero il resistore, la induttanza e il condensatore. Quali sono le loro impedenze?
IMPEDENZE
RESISTORE Re
I
U
I
UZ j
0
INDUTTORE
L
jjXLje
I
U
I
UZ
2
CONDENSATORE
C
jjX
Cje
I
U
I
UZ
12
VII) SUSCETTANZE E AMMETTENZE
DEFINIZIONE,
SUSCETTANZA INDUTTIVA E SUSCETTANZA CAPACITIVA. Definiamo suscettanza
induttiva l’inverso (cioè l’opposto del reciproco) della reattanza induttiva. Poniamo dunque
LXB
L
L 11
69
Definiamo suscettanza capacitiva l’inverso della reattanza capacitiva. Poniamo dunque
CX
BC
C 1
DEFINIZIONE,
AMMETTENZA DI UN UTILIZZATORE. Consideriamo un bipolo convenzionato da
utilizzatore. Diciamo che questo bipolo non possa erogare potenza attiva, cioè che la sua potenza
attiva non possa essere negativa. Diciamo cioè che sia un bipolo passivo.
Per esso definiamo ammettanza il rapporto fra fasore della tensione e fasore della corrente. Cioè il
reciproco della impedenza. Poniamo
1
Z
U
IY
In forma polare l’ammettanza si scrive
jj
j
j
eU
Ie
U
I
Ue
Ie
U
IY
In forma trigonometrica abbiamo
Y
Y
UIY
UIY
jU
Ie
U
IY j
arctan
sin
0cos
sincos
Per la parte reale della ammettanza vale la stessa considerazione fatta per quella della impedenza.
DEDUZIONE,
AMMETTENZA DEI BIBOLI PASSIVI. Prendiamo in considerazione i tre bipoli passivi
studiati, ovvero il resistore, la induttanza e il condensatore. Quali sono le loro ammettenze?
AMMETTENZE
RESISTORE GRZY
1
1
INDUTTORE LjBL
j
LjLjZY
11
1
CONDENSATORE CjBCj
j
C
CjZY
111
70
VIII) IMPEDENZE EQUIVALENTI
DEDUZIONE,
IMPEDENZA SERIE. Più impedenze collegate in serie sono equivalenti ad una impedenza
somma delle impedenze date.
i
is ZZ
DEDUZIONE,
IMPEDENZA PARALLELO. Piu impedenze collegate in parallelo son equivalenti ad una
impedenza il cui reciproco è la somma dei reciproci delle impedenze date.
iip ZZ
11
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONI TRIANGOLO-STELLA. Un triangolo di impedenze può trasformarsi in
una stella equivalente seguendo le formule di trasformazione seguenti.
231312
2313
3
231312
2312
2
231312
1312
1
ZZZ
ZZZ
ZZZ
ZZZ
ZZZ
ZZZ
DEDUZIONE,
TRASFORMAZIONI STELLA-TRIANGOLO. Una stella di impedenze può trasformarsi in un
triangolo di impedenze seguendo le seguenti formule di trasformazione.
1
32312123
2
32312113
3
32312112
Z
ZZZZZZZ
Z
ZZZZZZZ
Z
ZZZZZZZ
OSSERVAZIONE,
71
TRASFORMAZIONI TRIANGOLO-STELLA E STELLA-TRIANGOLO. Si osserva che
nelle due trasformazioni su indicate possono ottenersi impedenze con parte reale negativa. Ciò è
dovuto al fatto che tali impedenze non rappresentano singoli bipoli passivi.
DEFINIZIONE,
SINTESI SERIE DI UNA IMPEDENZA. Abbiamo un generico bipolo passivo. La sua
impedenza sia
Z . Vogliamo rappresentare questa impedenza con la serie di una resistenza SR e di
una reattanza SX . Per fare questo occorre imporre che l’impedenza equivalente alla serie della
resistenza e della reattanza sia proprio l’impedenza data. Dobbiamo imporre cioè che
sin
cos00
ZZX
ZZRjXjRZ
S
S
SS
Da questo si vede anche che se la tensione ai morsetti della impedenza
Z è in anticipo sulla
corrente, cioè se φ>0, allora la reattanza SX sarà positiva, cioè di tipo induttivo; se invece la
tensione è in ritardo sulla corrente, cioè se φ<0, allora la reattanza SX sarà negativa, cioè di tipo
capacitivo; se, in fine, tensione e corrente sono in fase avremo reattanza nulla.
DEFINIZIONE,
SINTESI PARALLELO DI UNA IMPEDENZA. Abbiamo un generico bipolo passivo. La sua
impedenza sia
Z . Vogliamo rappresentare questa impedenza con il parallelo di una resistenza SR e
di una reattanza SX . Per fare questo occorre imporre che l’impedenza equivalente al parallelo della
resistenza e della reattanza sia proprio l’impedenza data. Dobbiamo imporre cioè che
sin
cos
sin11
cos11
0011
1
ZX
ZR
ZY
X
ZY
RjXjRZ
P
P
S
P
PP
Per la natura della reattanza vale lo stesso discorso fatto nel caso della sintesi serie.
72
CAPITOLO VIII,
RETI IN REGIME SINUSOIDALE
I) LEGGI DI KIRCHHOFF
DEFINIZIONE,
RETE ELETTRICA IN REGIME SINUSOIDALE. Una rete elettrica si dice in regime
sinusoidale quando tutte le sue tensioni e le sue correnti sono in regime sinusoidale isofrequenziale.
Da questo discende che per risolvere la rete, ovvero per determinare correnti e tensioni di lato, sarà
sufficiente determinarne valore efficace e fase iniziale.
OSSERVAZIONE,
RETI IN REGIME SINUSOIDALE COME RETI LINEARI. L’intrudozione dei fasori
permette di trattare il problema delle reti in regime sinusoidale come un problema lineare. In tal
modo possiamo adottare tutti i metodi di analisi studiati per le reti in regime permanente continuo,
purché si sostituiscano alle correnti e alle tensioni i loro fasori.
DEDUZIONE,
LEGGE DI KIRCHHOFF AI FASORI DELLE CORRENTI. La somma algebrica dei fasori
delle correnti entranti in ciascun nodo è nulla. Per somma lagebrica si vuole intendere che i fasori
delle correnti entranti vanno sommate, mentre quelli delle correnti uscenti vanno sottratti.
Dunque tale legge è identica alla LKC nel dominio del tempo, purchè, al posto delle correnti si
considerino i loro fasori.
DEDUZIONE,
LEGGE DI KIRCHHOFF AI FASORI DELLE TENSIONI.
E identica alla LKT nel dominio del tempo, purchè, al posto delle tensioni si considerino i loro
fasori.
II) RIFASAMENTO DEL CARICO
DEFINIZIONE,
RIFASAMENTO DEL CARICO. Consideriamo la
rete in regime sinusoidale indicata in figura. La
tensione di alimentazione dell’impedenza è
sincossin2 jUUUeUtUtu j
mentre la corrente che l’attraversa è
sincossin2 jIIIeItIti j
La sua impedenza è
sincos jZZZeZeZ jj
73
dove è l’anticipo della tensione sulla corrente. Con queste posizioni la potenza attiva
entrante nella impedenza vale
cosUIP
mentre quella reattiva risulta
sinUIQ
Ammettendo che la tensione di alimentazione resti costante, ci chiediamo se è possibile ridurre il
valore efficace della corrente uscente dall’alimentazione senza variare la potenza attiva. Data
l’espressione della potenza attiva, dovendo essere U costante, ciò sarà possibile solo aumentando il
fattore di potenza cos , ovvero riducendo, in valore assoluto, lo sfasamento tra tensione e
corrente.
Questo procedimento, realizzato nel modo illustrato nel seguito, prende il nome di rifasamento del
carico.
DEDUZIONE,
RIFASAMENTO E POTENZA REATTIVA. Rifasare il carico significa ridurre, in valore
assoluto, la potenza reattiva entrante nel carico (uscente dall’alimentazione).
DIMOSTRAZIONE. Si considerino le dimostrazioni dei due teoremi successivi.
1)Nel primo si affronta il rifasamento di un carico resistivo-induttivo con un condesatore in
parallelo e si trova che la potenza reattiva del carico rifasato è
C
UUIUIUIUIUIQQQ CCC
1sinsin
2sinsin
2|
dove Q è la potenza del carico non rifasato. Si ottiene dunque
QQ |0
essendo in questo caso la potenza reattiva di partenza positica (il carico ha reattanza induttiva).
2)Nel secondo si affronta il rifasamento di un carico resistivo-capacitivo con un induttore in
parallelo e si trova che la potenza reattiva del carico rifasato è
L
UUIUIUIUIUIQQQ LLL
2
| sinsin2
sinsin
dove Q è la potenza del carico non rifasato. Si ottiene dunque
|0 QQ
DEDUZIONE,
RIFASAMENTO DI UN CARICO RESISTIVO-INDUTTIVO.
Il rifasamento di una carico resistivo-induttivo si realizza mettendo
in parallelo ad esso un condensatore di capacità
74
2
|tantan
U
PC
dove || è il nuovo sfasamento della tensione rispetto alla corrente.
DIMOSTRAZIONE. Inserendo in parallelo un condensatore
C otteniamo il circuito rappresentato in figura. Intanto è
immediato constatare che l’introduzione del condensatore ha
determinato una riduzione del valore efficace della corrente di
alimentazione, che indichiamo |
I , rispetto al caso in cui non vi
fosse il condensatore. Questo in quanto (vedi il diagramma
fasoriale) la corrente di alimentazione è ora la somma della
corrente che attraversa l’impedenza, rimasta invariata, e della
corrente che attraversa il condensatore la quale è in quadratura
in anticipo sulla tensione di alimentazione (anch’essa rimasta
invariata).
Vediamo ora di calcolare la capacità necessaria affinché si ottenga un angolo di fase assegnato
| . Esprimiamo cioè C in funzione di | .
Considerando la potenza reattiva entrante nel condensatore si ha
2
2
2sin
U
QCCU
X
UU
Z
UUUIUIQ C
CC
CCC
Il legame tra la potenza reattiva della rete dopo il rifasamento ( |Q ), la potenza reattiva prima del
rifasamento (Q ) e quella del condensatore ( CQ ) è dato da
sinsin
sin
sin2
sin|||
|||
|
UIUIQQQ
UIQ
QQUIUIQC
CC
Fin qui dunque abbiamo ottenuto che
2
||
2
sinsin
U
UIUI
U
QC C
Mettiamo in evidenza, nel secondo membro, la potenza attiva.
2
|
2
|
|
2
|
|||
tantancos
sin
cos
sin
cos
sincos
cos
sincos
UP
U
PP
U
UIUI
C
E la tesi è dimostrata.
DEDUZIONE,
RIFASAMENTO DI UN CARICO CAPACITIVO-
INDUTTIVO. Il rifasamento di un carico capacitivo-
75
resistivo si realizza collegando in parallelo ad esso un induttore di induttanza
tantan |
2
P
UL
dove | è il nuovo sfasamento fra tensione di alimentazione e corrente di alimentazione.
DIMOSTRAZIONE. Intanto si vede dal diagramma fasoriale come l’introduzione in parallelo di
un induttore comporti una riduzione del valore efficace della corrente di alimentazione. Si vede
inoltre, sempre dal diagramma fasoriale, come resti costante la potenza attiva e come invece si
riduca il valore della potenza reattiva (che in questo caso è positiva essendo di natura induttiva).
Ricaviamo ora l’espressione della L necessaria a determinare il
nuovo sfasamento tra tensione e corrente di alimentazione.
La potenza reattiva entrante nell’induttore si scrive
LLL
LLLQ
UL
L
U
X
UU
Z
UUUIUIQ
22
2sin
Tra le potenze reattive sussiste la relazione
sinsin
sin
sin2
sin|||
|||
|
UIUIQQQ
UIQ
QQUIUIQL
LL
Dunque abbiamo
sinsin ||
2
UIUI
UL
Mettiamo in evidenza, nel secondo membro, la potenza attiva.
tantantantan
cos
sincos
cos
sincos
|
2
|
2
|
|||
2
P
U
PP
U
UIUI
UL
e la tesi è dimostrata.
III) EFFETTO PELLE
OSSERVAZIONE SPERIMENTALE,
EFFETTO PELLE. In un conduttore massiccio percorso da corrente in regime variabile si verifica
che la densità di corrente non è uniforme nella sezione del conduttore stesso. Infatti le cariche in
moto tendono ad addensarsi verso l’esterno del conduttore. Questo fenomeno è definito come
effetto pelle.
In particolare in un conduttore cilindrico pieno, si ha che la densità di corrente ad una distanza dalla
superficie pari a 4 o 5 volte il parametro
76
f
1
risulta minore del 2-1% del valore
massimo, raggiunto alla superficie. Il
parametro introdotto si chiama spessore
di penetrazione.
Lo spessore di penetrazione nel caso di un
conduttore cilindrico di rame
( mS7105 ) presenta i seguenti valori
correlati alla frequenza della corrente
mMHzf
mmkHzf
mmHzf
7100
2,0100
1050
DEDUZIONE,
ANALISI SEMPLIFICATA DELL’EFFETTO PELLE. Consideriamo i due conduttori tubolari
in figura. Siano essi alimentati da un generatore sinusoidale. Siano 21 rr i loro raggi ed h la loro
altezza.
L’induzione magnetica determinata da un conduttore tubolare è uguale, all’esterno, a quella
determinata da un conduttore filiforme. Nello spazio compreso dal conduttore è invece nulla.
Dunque, nel nostro caso, l’induzione sarà nulla solo nello spazio racchiuso dal conduttore più
piccolo. Il flusso della induzione concatenato con il percorso dei due conduttori lo indichiamo con
l’apice e se è dovuto alla induzione che si sviluppa fuori dal tubo più largo, lo indichiamo con
l’apice i si è dovuto all’induzione che si sviluppa nello spazio compreso fra i due tubi. Come detto
non si ha induzione nello spazio interno al tubo più piccolo.
Posto tutto ciò calcoliamo il coefficiente di autoinduzione e di mutua induzione per il conduttore
tubolare più piccolo. Si ha
ie
ieieieie
eee
LLiii
LLLi
iMMM
i
11
1
1
1
1
1
111111111
1
1111
2
2122121212
2
212
1
1
Ora calcoliamo coefficiente di auto induzione e mutua induzione per il conduttore tubolare più
grande.
12
2
2222222
2
222
1
1
1211212121
1
121
1
1
Mi
LLLi
Li
MMMi
eee
ee
ee
Poiché i coefficienti di mutua induzione devono coincidere si ha
77
e
ee
LL
Li
MMMM
12
1
1
1
2112
Attribuendo resistenza 1R al conduttore tubolare più piccolo
abbiamo che la LKT ai fasori per esso si scrive
eie LILILIjRIMILIjRIE111
2111121111
Per il conduttore esterno, attribuendogli resistenza 2R , avremo invece che la LKT ai fasori so scrive
ee LILIjRIMILIjRIE11 122212222
Riscrivendo le due espressioni si ha
22121222
1111221111
1111
111111
RILIjLIjELIjLIjRIE
LIjRILIjLIjELIjLIjLIjRIE
eeee
ieeeie
Per confronto si ricava allora
21
212112
11211111122
1
1
111
RLjR
RIIRLjRIRI
LjRIRIILjRILIjRIRI
i
i
iii
Analogamente si calcola
i
i
iii
LjRR
LjRII
LjRILjRRILjRIIRI
1
1
111
12
12
11221222
Mandando al limite per si ha
I
jLRR
jLR
I
LjRR
LjRII
RLjR
RII
i
i
i
i
i
1
1
1
1
112
1
12
12
21
21 ,0
Cioè all’aumentare della pulsazione della corrente, questa si sposta dal conduttore tubolare interno a
quello esterno. Questo semplice modello fornisce dunque una giustificazione analitica dell’effetto
pelle.
78
CAPITOLO IX,
RETI NOTEVOLI IN REGIME SINUSOIDALE
I) SERIE DI UN RESISTORE, UN INDUTTORE ED UN
CONDENSATORE
In figura abbiamo una rete in cui si presenta una serie di
una resistenza, un’induttanza e un condensatore.
Tale serie è rappresentata dall’impedenza
CLjRXXjRZ CL
1
il cui modulo risulta
2
2
CLRZ
e il cui argomento è
R
CL
Z
Z
arctanarctan
Le due funzioni ZZ e hanno
l’andamento indicato in figura. Il punto 0 , in cui il
modulo dell’impedenza è minimo e in cui il suo
argomento si annulla, soddisfa la relazione
79
LCLC
CL
100 2
La corrente che attraversa l’impedenza ha valore efficace dato da
2
2
CLR
UZ
UI
Studiando tale funzione si trova l’andamento indicato in figura. Comunque è immediato vedere
come in 0 essa assuma il suo valore massimo.
DEFINIZIONE,
PULSAZIONE DI RISONANZA. Diciamo pulsazione di risonanza della serie RLC il valore della
pulsazione per la quale è minimo il modulo dell’impedenza (ovvero nullo l’argomento
dell’impedenza, ovvero massima l’ampiezza della corrente). Poniamo
LC
10
OSSERVAZIONE,
COMPORTAMENTO IN FREQUENZA. Le dicussioni fatte ci permettono di descrivere
qualitativamente il comportamento del circuito al variare della pulsazione, cioè di descriverne il
‘comportamento in frequenza’. Si ha che
1)per 0 l’argomento dell’impedenza è negativo e dunque il circuito si comporta come un
circuito RC, con corrente in anticipo sulla tensione;
2)per 0 l’argomento della impedenza si annulla, cioè l’impedenza è tutta reale, cioè corrente e
tensione sono in fase, cioè condensatore e induttore compensano i propri effetti, cioè il circuito si
comporta come un circuito resistivo puro e l’ampiezza della corrente che lo attraversa diviene
massima;
3)per 0 l’argomento della impedenza diviene positivo, cioè l’impedenza diviene di tipo RL e
la tensione va in anticipo sulla corrente.
DEFINIZIONE,
FATTORE DI MERITO. Definiamo fattore di merito del circuito RLC serie il rapporto fra il
valore efficace della tensione ai capi dell’induttore (o del condensatore) e quello della tensione di
alimentazione, quando ci si trovi alla pulsazione di risonanza. Poniamo
U
U
U
UQ CL
0
DEDUZIONE,
FATTORE DI MERITO. Il fattore di merito vale
80
C
L
RQ
10
DIMOSTRAZIONE. Per il condensatore abbiamo
222
22
1
jjj
C
j
C
jj
C
j
CC
eCZ
Ue
CZ
U
Ce
Z
U
XeZ
UXeIejXIejXIU
Per l’induttore abbiamo invece
2222
jj
L
j
L
jj
L
j
LL eZ
LULe
Z
UXe
Z
UXeIejXIejXIU
In condizioni di risonanza si ha
22
0
jj
C eC
L
R
Ue
CR
LCUU
220
jj
L eC
L
R
Ue
LCR
LUU
Pertanto il fattore di merito si scrive, secondo la definizione, come segue
C
L
RU
C
L
R
U
Q1
0
e la tesi è dimostrata.
OSSERVAZIONE,
SIGNIFICATO DEL FATTORE DI MERITO. Il fattore di merito è un indice importante del
circuito RLC serie per le due osservazioni seguenti.
1)All’aumentare del fattore di merito le funzioni Z , e I divengono più ‘ripide’, cioè
le grandezze Z , φ e I variano più velocemente.
2)In condizioni di risonanza le tensioni delle reattanze si scrivono
0
2
00 UQUeUQU C
j
C
02
00 UQUUQU L
j
L
ne segue che un fattore di merito maggiore di uno caratterizzi circuiti in cui, in condizioni di
risonanza, il valore efficace della tensione ai capi delle reattanze sia superiore di quello della
tensione di alimentazione.
81
OSSERVAZIONE,
DIAGRAMMA FASORIALE. Disegnamo il
diagramma fasoriale del circuito RLC serie. I fasori del
circuito sono i seguenti:
jUeU
je
Z
U
Z
UI
j
R eZ
URU
2
j
L eZ
LUU
2
j
C eCZ
UU
Il diagramma fasoriale nella figura presenta corrente in anticipo sulla tensione ed è dunque nel caso
in cui il circuito abbia comportamento RL (caso 0 ). Nel caso in cui ci sitrovi in condizioni di
risonanza si ha
j
R UeU
20
j
L eR
LUU
2
0
j
C eCZ
UU
DEDUZIONE,
POTENZE. Valutiamo la potenza complessa entrante nei tre bipoli.
22 LIjIjXIXIjIUS LLLL
C
IjIjXIXIjIUS CCCC
22
2RIIRIIUS RR
In condizioni di risonanza la potenza complessa entrante nell’induttore è l’opposto di quella
entrante nel condensatore e la serie si comporta come una resistenza anche dal punto di vista della
potenza nel senso che la potenza complessa complessivamente entrante è quella della sola
resistenza.
II) PARALLELO DI UN RESISTORE, DI UN INDUTTORE E DI
UN CONDENSATORE
In figura abbiamo una rete in cui si presenta un parallelo di una resistenza, un’induttanza e un
condensatore. Tale parallelo è rappresentato dall’impedenza
82
CL
jRj
C
LjRC
jLjR
Z
11
1
11
1
1
111
1
2211
11
1111
11
CLR
CL
jR
CL
jR
CL
jR
CL
jR
Il modulo dell’impedenza vale
2222
22
11
1
11
11
CLR
CLR
CLR
Z
mentre il suo argomento vale
RC
L
R
CL
1arctan
1
1
arctan
Le due funzioni
ZZ e hanno l’andamento indicato in
figura. Dunque si vede come in questo caso la frequenza
di risonanza corrisponda ad un picco del modulo
dell’impedenza sebbene sia ancora la frequenza alla quale
il circuito diviene puramente resistivo.
La corrente che attraversa l’impedenza (l’impedenza
equivalente, non le singole impedenze) ha valore efficace
83
dato da
22
11
CLR
UZ
UI
La funzione II ha la’ndamento indicato in figura. Si rileva che alla frequenza di risonanza
essa raggiunge il suo valore minimo.
OSSERVAZIONE,
COMPORTAMENTO IN FREQUENZA. Le dicussioni fatte ci permettono di descrivere
qualitativamente anche qui il comportamento del circuito al variare della pulsazione, cioè di
descriverne il ‘comportamento in frequenza’. Si ha che
1)per 0 l’argomento dell’impedenza è positivo e dunque il circuito si comporta come un
circuito RL, con tensione in anticipo sulla corrente;
2)per 0 l’argomento della impedenza si annulla, cioè l’impedenza è tutta reale, cioè corrente e
tensione sono in fase, cioè condensatore e induttore compensano i propri effetti, cioè il circuito si
comporta come un circuito resistivo puro e l’ampiezza della corrente che lo attraversa diviene
minima;
3)per 0 l’argomento della impedenza diviene negativo, cioè l’impedenza diviene di tipo RC e
la corrente va in anticipo sulla tensione.
DEFINIZIONE,
FATTORE DI MERITO. Definiamo fattore di merito del circuito RLC parallelo il rapporto fra il
valore efficace della corrente ai capi dell’induttore (o del condensatore) e quello della corrente di
alimentazione, quando ci si trovi alla pulsazione di risonanza. Poniamo
I
I
I
IQ CL
0
DEDUZIONE,
FATTORE DI MERITO. Il fattore di merito vale
L
CRQ 0
DIMOSTRAZIONE. Per il condensatore abbiamo
2
1
jj
j
C
C CeUCjeUj
CeU
Cj
U
jX
UI
Per l’induttore abbiamo invece
84
L
Ue
L
Uje
Lj
U
jX
UI
jj
L
L
2
In condizioni di risonanza si ha
2
0
j
C eL
CUI
2
0
j
L eL
CUI
e dunque il fattore di merito si scrive
L
CR
ZU
L
CU
ZU
L
CU
I
I
I
IQ LC
00
0
OSSERVAZIONE,
SIGNIFICATO DEL FATTORE DI MERITO. Il fattore di merito è un indice importante del
circuito RLC parallelo per le due osservazioni seguenti.
1)All’aumentare del fattore di merito le funzioni Z , e I divengono più ‘ripide’, cioè
le grandezze Z , φ e I variano più velocemente.
2)In condizioni di risonanza le correnti delle reattanze si scrivono
000
2
0 IQQR
U
L
CUIe
L
CUI C
j
C
000
2
0 IQQR
U
L
CUIe
L
CUI L
j
L
ne segue che un fattore di merito maggiore di uno
caratterizzi circuiti in cui, in condizioni di risonanza, il
valore efficace della tcorrente attraverso le reattanze sia
superiore di quello della corrente di alimentazione.
OSSERVAZIONE,
DIAGRAMMA FASORIALE. Disegnamo il
diagramma fasoriale del circuito RLC parallelo. I fasori
del circuito sono i seguenti:
jUeU
je
Z
U
Z
UI
85
j
R eR
U
R
UI
2
jj
L
L eL
Uje
L
U
jX
UI
2
j
jj
C
C CeUCjeUej
CU
jX
UI
Il diagramma fasoriale nella figura presenta corrente in anticipo sulla tensione ed è dunque nel caso
in cui il circuito abbia comportamento RL (caso 0 ).
Nel caso in cui ci sitrovi in condizioni di risonanza si ha
j
R eR
U
Z
UII
2
j
L eL
CUI
2
j
C eL
CUI
DEDUZIONE,
POTENZE. Valutiamo la potenza complessa entrante nei tre bipoli.
L
Uj
jX
UU
jX
UUIUS
LL
LL
2
2CUjjX
UU
jX
UUIUS
CC
CC
R
U
R
UUIUS RR
2
In condizioni di risonanza la potenza complessa entrante
nell’induttore è l’opposto di quella entrante nel
condensatore e la serie si comporta come una resistenza anche dal punto di vista della potenza nel
senso che la potenza complessa complessivamente entrante è quella della sola resistenza.
86
CAPITOLO X,
RETI TRIFASI
I) SISTEMI POLIFASI
DEFINIZIONE,
SISTEMA POLIFASE SIMMETRICO. Un sistema polifase simmetrico a m fasi è un insieme di
m grandezze sinusoidali isofrequenziali sfasate di 2π/m l’una dall’altra.
DEFINIZIONE,
SISTEMA POLIFASE SIMMETRICO DIRETTO. Un sistema polifase simmetrico a m fasi si
dice diretto se ciascuna grandezza risulta in ritardo di 2π/m rispetto la precedente. Un esempio di
sistema polifase simmetrico diretto a m fasi è il seguente.
mmtAta
mtAta
mtAta
tAta
m
21sin2
...
22sin2
2sin2
sin2
3
2
1
DEFINIZIONE,
SISTEMA POLIFASE SIMMETRICO INVERSO. Un sistema polifase simmetrico a m fasi si
dice inverso se ciascuna grandezza risulta in anticipo di 2π/m rispetto la precedente. Un esempio di
sistema polifase simmetrico inverso a m fasi è il seguente.
mmtAta
mtAta
mtAta
tAta
m
21sin2
...
22sin2
2sin2
sin2
3
2
1
DEDUZIONE,
SOMMA DI UN SISTEMA POLIFASE SIMMETRICO. La somma delle grandezze di un
sistema polifase simmetrico (diretto o indiretto) è nulla.
DIMOSTRAZIONE. Consideriamo un caso particolare, un sistema trifase simmetrico diretto. Le
grandezze di tale sistema sono
87
3
22sin2
3
2sin2
sin2
3
2
1
tAta
tAta
tAta
Sommandole membro a membro abbiamo
02
1sin
2
1sinsin2
2
3cos
2
1sin
2
3cos
2
1sinsin2
3
22sincos
3
22cossin
3
2sincos
3
2cossinsin2
3
22sin
3
2sinsin2
tttA
tttttA
tttttA
tttA
II) RETI TRIFASE
DEFINIZIONE,
RETE TRIFASE. Definiamo rete elettrica trifase una rete
che presenti una delle due tipologie seguenti:
1)reti costituite da componenti quadripolari connessi per
mezzo di collegamenti a quttro fili (reti trifasi con neutro);
2)reti costituite da componenti tripolariinterconnessi per
mezzo di collegamenti a tre fili (reti trifasi senza neutro).
DEFINIZIONE,
TERNA DI TENSIONI DI FASE. In una rete trifase con neutro si definisce terna di tensioni di
fase la terna di tensioni fra ciascuno dei tre morsetti 1,2,3 ed il morsetto di neutro (del generatore). I
relativi fasori si indicano
321 ,, EEE
DEFINIZIONE,
TERNA DI TENSIONI CONCATENATE. In una rete trifase, con o senza neutro, definiamo
terna di tensioni concatenate le tensioni fra le tre coppie dei tre morsetti del generatore. I relativi
fasori si indicano
311312 ,, UUU
e sussistono le relazioni (in base alla LKT)
88
1331
3223
2112
EEU
EEU
EEU
rese anche in modo grafico nella figura affianco, dove si
è considerata una terna diretta (ma non simmetrica) di
tensioni di fase.
DEDUZIONE,
RELAZIONE TRA TENSIONI DI FASE E TENSIONI CONCATENATE NEL CASO DI
TERNA SIMMETRICA. Se le tensioni di fase costituiscono una terna simmetrica, diretta o
inversa, allora le tensioni concatenate costituiscono una terna simmetrica, rispettivamente diretta o
inversa, e la relazione tra i valori efficaci delle tensioni di fase e di quelle concatenate risulta
EU 3 . La terna delle tensioni concatenate è sfasata di π/6, rispettivamente in anticipo o in
ritardo, rispetto a quella delle tensioni di fase.
DIMOSTRAZIONE. Dimostriamo
graficamente la tesi ricorrendo al
diagramma fasoriale delle tensioni. Se
la terna delle tensioni di fase risulta
diretta (cioè con la seconda tensione in
ritardo rispetto alla prima e la terza in
ritardo rispetto alla seconda) il
diagramma è quello in figura.
Considerando uno dei tre triangolo
isosceli aventi i lati uguali costituiti da
due tensioni di fase e la base costituita
da una tensione concatenata si ha
322
3
23sin
26
2sin
UE
UE
UE
UE
Quanto poi alla natura della terna delle tensioni concatenate sai vede dalla figura come la terna
312312 ,, UUU risulti una terna simmetrica (cioè con moduli dei fasori uguali e con fasori sfasati di
2π/3) nonché diretta (cioè col secondo fasore in ritardo sul primo ed il terzo in ritardo sul secondo).
Dimostriamo ora quanto detto anche calcolando direttamente la terna concatenata dalla terna delle
tensioni di fase. Supponiamo di avere la terna di tensioni di fase simmetrica diretta
3
22sin2
3
2sin2
sin2
3
2
1
tEe
tEe
tEe
89
allora, applicando le formule di Prostaferesi, si hanno le tensioni concatenate
3
2sin
3
2cos22sin
3
22sin2
3sincos22
3
22sin
3
2sin2
3sin
3cos22
3
2sinsin2
1313
3223
2112
tEttEeeu
tEttEeeu
tEttEeeu
Sviluppando ulteriormente i calcoli si ha
6
5sin32
23
2cos32
3
2cos32
2sin32
2cos32cos32
6sin32
23sin32
3cos32
3113
3223
2112
tEtEtEeeu
tEtEtEeeu
tEtEtEeeu
la quale rappresenta la terna diretta delle tensioni concatenate che risulta in anticipo di π/6 sulla
terna delle tensioni di fase.
III) GENERATORI TRIFASE
DEFINIZIONE,
GENERATORE TRIFASE CON COLLEGAMENTO A
STELLA CON NEUTRO. E’ un generatore trifase
quadripolare che presenta tra i tre morsetti di fase ed il
morsetto neutro una terna simmetrica (diretta o inversa) di
tensioni di fase. Presenta inoltre tra i tre morsetti di fase un
terna di tensioni concatenate (rispettivamente diretta o
inversa) avente valore efficace EU 3 .
DEFINIZIONE,
GENERATORE TRIFASE CON COLLEGAMENTO A
STELLA SENZA NEUTRO. E’ analogo al generatore
precedentemente illustrato, tuttavia qui non è possibile
accedere al neutro dall’esterno. In questo caso cioè non è
possibile misurare le tensioni di fase ma solo quelle
concatenate.
DEFINIZIONE,
GENERATORE TRIFASE CON COLLEGAMENTO A
TRIANGOLO. E’ un generatore nel quale i tre generatori
ideali sono collegati a triangolo in modo che le tensioni di
detti generatori coincidono con le tensioni concatenate. Si ha
infatti
90
331
223
112
EU
EU
EU
IV) CARICHI TRIFASE
DEFINIZIONE,
CARICO TRIFASE CON COLLEGAMENTO A STELLA
CON NEUTRO. Si tratta di un quadrupolo costruito collegando tre
impedenze nel modo indicato in figura.
DEFINIZIONE,
CARICO TRIFASE CON COLLEGAMENTO A STELLA
SENZA NEUTRO. Si tratta di un tripolo costruito togliendo il cavo
di neutro al quadrupolo visto sopra.
DEFINIZIONE,
CARICO TRIFASE CON COLLEGAMENTO A
TRIANGOLO. Si tratta di un tripolo costruito collegando a
triangolo tre impedenze. Si deve rilevare che, in questo caso, le
correnti di linea non sono quelle che attraversano le
impedenze. Queste ultime sono dette correnti delle fasi interne
e vengono indicate con la lettera J pittosto che con la lettera I.
DEDUZIONE,
RELAZIONE TRA LE CORRENTI DELLE FASI INTERNE E LE CORRENTI DI LINEA
PER UN CARICO A TRIANGOLO. Consideriamo un carico a triangolo. Allora le correnti di
linea sono legate a quelle delle fasi interne dalle relazioni seguenti.
23313
12232
31121
JJI
JJI
JJI
DIMOSTRAZIONE. Le formule di trasformazione di cui sopra si trovano immediatamente
applicando La LKC ai tre nodi del triangolo.
DEDUZIONE,
INDETERMINAZIONE DELLE CORRENTI DELLE FASI INTERNE. Le correnti delle fasi
interne di una stella di impedenze non sono determinabili a partire dalle sole correnti di linea.
DIMOSTRAZIONE. Nella deduzione precedente si è provato come fra correnti di linea e correnti
delle fasi interne sussista la relazione
AJI
J
J
J
I
I
I
JJI
JJI
JJI
31
23
12
3
2
1
23313
12232
31121
110
011
101
91
Ma la matrice A non è invertibile. Essa infatti ha rango 2. Pertanto risolvere il sistema lineare in
funzione delle correnti delle fasi interne porta ad infinite soluzioni. A conti fatti si ha
jK
KJ
KIIJ
KIJ
31
2123
112
DEDUZIONE,
RELAZIONE TRA LE CORRENTI DELLE FASI INTERNE E LE CORRENTI DI LINEA
PER UN CARICO A TRIANGOLO NEL CASO DI TENSIONI CONCATENATE
SIMMETRICHE E DI CARICO EQUILIBRATO. Se si verifica che
1)le tre impedenze del triangolo di impedenze sono uguali (carico equilibrato)
2)la terna delle tensioni concatenate è simmetrica (diretta o inversa)
allora le correnti di fase costituiscono una terna simmetrica (rispettivamente diretta o inversa)
sfasata di π/6 (rispettivamente in ritardo o in anticipo) rispetto alla terna delle correnti delle fasi
interne.
DIMOSTRAZIONE. Supponiamo che la terna delle tensioni concatenate sia diretta. Cioè che si
abbia
3
22sin2
3
2sin2
sin2
31
23
12
tUu
tUu
tUu
In base alla LTK le correnti delle fasi
interne del carico sono
3
22sin2
3
2sin2
sin2
31
23
12
3
22
3
22
3
3131
3
2
3
2
2323
1212
tZ
Uj
tZ
Uj
tZ
Uj
Z
Ue
Ze
Ue
Z
UJ
Z
Ue
Ze
Ue
Z
UJ
Z
Ue
Ze
U
Z
UJ
j
j
j
j
j
j
j
j
Dunque le correnti di linea sono
92
3
2sin
3
22sin2
sin3
2sin2
3
22sinsin2
3
2
1
23313
12232
31121
ttZ
Ui
ttZ
Ui
ttZ
Ui
JJI
JJI
JJI
Applicando una delle formule di Prostaferesi (il calcolo è analogo a quello fatto più sopra per
ricavare le tensioni concatenate da quelle di linea) si ha
3sincos22
3sin
3cos22
3
2sin
3
2cos22
3
2
1
tZ
Ui
tZ
Ui
tZ
Ui
Sviluppando ulteriormente i calcoli si ha
2sin32cos32
23sin32
3cos32
23
2sin32
3
2cos32
23313
12232
31121
tZ
Ut
Z
Ujji
tZ
Ut
Z
Ujji
tZ
Ut
Z
Ujji
Semplificando ulteriormente si ottiene infine la terna delle tensioni di fase
2sin32
2sin32
6
7sin32
6
7sin32
6sin32
6sin32
23313
12232
31121
tJtZ
Ujji
tJtZ
Ujji
tJtZ
Ujji
Si vede come essa rappresenti una terna diretta in ritardo di π/6 sulla terna delle correnti delle fasi
interne. Si vede inoltre come il valore efficace delle correnti di linea sia pari a 3 volte quello delle
correnti delle correnti delle fasi interne.
DEFINIZIONE,
CARICHI EQUILIBRATI. Un carico, a stella o a triangolo, si dice equilibrato se le tre impedenze
che lo costituiscono sono uguali fra loro.
93
V) POTENZA TRIFASE
DEDUZIONE,
POTENZA DI UN GENERATORE TRIFASE A
QUATTRO FILI. Un generatore trifase a quattro fili
si può considerare l’insieme di tre bipoli aventi un
morsetto in comune (il morsetto di neutro). Pertanto la
sua potenza istantanea è la somma delle potenze dei
singoli bipoli e si scrive dunque
titetitetitetp 332211
Supponiamo ora che le tensioni di linea siano simmetriche dirette e siano date in particolare da
3
22sin2
3
2sin2
sin2
3
2
1
3
22
3
3
2
2
0
1
tEe
tEe
tEe
EeE
EeE
EeE
j
j
j
Se inoltre il generatore è collegato a carichi equilibrati le correnti di linea sono date da (vedi la rete
trifase Yn-Yn)
3
4sin
3
2sin
sin
2
2
1
3
4
3
3
2
2
1
tZ
Ei
tZ
Ei
tZ
Ei
Z
EeI
Z
EeI
Z
EeI
j
j
j
Allora la potenza del generatore è data da
3
4sin
3
4sin
3
2sin
3
2sinsinsin2
2
ttttttZ
E
tp
A conti fatti si trova
cos3EItp
Quanto visto si formalizza nella seguente deduzione.
94
DEDUZIONE,
POTENZA ISTANTANEA TRIFASE DI UN SISTEMA SIMMETRICO ED
EQUILIBRATO. Nel caso di un sistema trifase simmetrico ed equilibrato la potenza istantanea è
costante. Più precisamente essa vale
cos3EItp
DEDUZIONE,
POTENZA ATTIVA DI UN SISTEMA TRIFASE EQUILIBRATO E SIMMETRICO. La
potenza attiva di un sistema trifase equilibrato e simmetrico e pari alla sua potenza istantanea e vale
cos3EIP
DIMOSTRAZIONE. Ricordando che la potenza attiva è la media, sul periodo T della rete, della
potenza istantanea e osservato che, in questo caso, la potenza istantanea è costante, si ha la tesi.
DEDUZIONE,
POTENZA REATTIVA TRIFASE. La potenza reattiva trifase del nostro sistema equilibrato e
simmetrico è la somma delle potenze reattive dei tre bipoli di cui si è detto più sopra. Dunque si ha
sin3EIQ
DEDUZIONE,
POTENZA COMPLESSA TRIFASE E POTENZA APPARENTE. Calcolando la potenza
complessa trifase come la somma delle potenze complesse dei tre bipoli di cui si è detto sopra si ha,
sempre nel caso di sistema equilibrato e simmetrico, che
sincos3 jEIjQPS
La potenza apparente, modulo di quella complessa, sarà dunque data da
22 QPS
DEDUZIONE,
POTENZA DI UN GENERATORE
TRIFASE A TRE FILI. Un generatore
trifase a tre fili si puo considerare un doppio
bipolo in quanto al morsetto 2 entra la
95
corrente titi 21 , dovendo essere la somma delle correnti uscenti ai tre bipoli di somma nulla
(LKC). Dunque la sua potenza istantanea uscente può scriversi
titutitutp 332112
dove si intende che il primo pedice delle tensioni concatenate indichi il polo positivo ed il secondo
quello negativo (è una notazione anti-intuitiva a mio parere). Si osservi che, in caso di sistema
equilibrato simmetrico, questa espressione dovrebbe fornire come risultato il valore
cos3EItp , visto che in tale caso il sistema a tre fili è equivalente a quello a quattro fili.
Proviamo a fare la verifica di quanto detto. Data la terna simmetrica diretta di tensioni di fase
3
22sin2
3
2sin2
sin2
3
2
1
tEe
tEe
tEe
la terna delle tensioni concatenate e quella delle correnti di linea è
3
4sin2
3
2sin2
sin2
6
5sin32
2sin32
6sin32
3
2
1
3113
3223
2112
tZ
Ei
tZ
Ei
tZ
Ei
tEeeu
tEeeu
tEeeu
dove si è supposto un carico equilibrato. Dunque la potenza istantanea risulta
3
4sin
2sinsin
6sin32
3
4sin2
2sin32sin2
6sin32
ttttEI
tZ
EtEt
Z
EtEtp
96
cos3
sin2
1cos
2
3
62cos
sin2
1cos
2
3
62cos
3
6
5cos
6
112cos
2
1
6cos
62cos
2
132
EI
t
t
EI
ttEI
come si voleva dimostrare.
VI) INSERZIONE ARON
DEFINIZIONE,
INSERZIONE ARON. Consideriamo il sistema di due watmetri disegnati in figura. Si osserva che
12W è in grado di misurare il valore efficace della corrente 1I e della tensione concatenata 12U ed il
reciproco sfasamento; il wattmetro 32W invece misura il valore efficace della corrente 2I e della
tensione concatenata 32U ed il reciproco sfasamento.
Questo tipo di inserzione di due wattmetri
in un sistema trifase è detto inserzione
Aron.
DEDUZIONE,
L’INSERZIONE ARON PERMETTE
IL CALCOLO DELLA POTENZA
ATTIVA TRIFASE. Ricordiamo che la
potenza istantanea trifase, nel caso
generico di sistemi disimmetrici squilibrati,
è data da
titetitetitetp 332211
Ma essendo il sistema a tre fili si ha anche
titititititi 312312 0
e dunque si potrà scrivere
titetetitetetitetititetitetp 3231213331211
Ma osservato che
tetetu
tetetu
2332
2112
97
si ha in definitiva
titutitutitetititetitetp 3321123331211
per cui la potenza attiva si scrive
23321112 coscos IUIUP
dove si sono introdotti gli sfasamenti fra le correnti e le tensioni in gioco. Ma tale potenza è proprio
quella che i due wattmetri della inserzione Aron sono in grado di fornirci.
DEDUZIONE,
SISTEMA SIMMETRICO EQUILIBRATO. Nel caso di un sistema simmetrico equilibrato
l’inserzione Arono può fornirci anche la potenza reattiva, oltre a quella attiva.
DIMOSTRAZIONE. Consideriamo allora un sistema trifase simmetrico equilibrato. Allora le
tensioni stellate, le tensioni concatenate e le correnti di linea costituiscono tutte delle terne
simmetriche. Detto φ lo sfasamento fra la terna delle tensioni stellate e quella delle correnti di linea
(che consideriamo in ritardo rispetto alla prima), le due misure fornite dai due wattmetri della
inserzione Aron sono le seguenti
sin2
1cos
2
3
6sinsin
6coscos
6cos11212 UIUIIUP
sin2
1cos
2
3
6sinsin
6coscos
6cos33232 UIUIIUP
Sommando membro a membro le due letture si ha
PEIUI
UI
UIPP
cos3cos3
sin2
1cos
2
3
sin2
1cos
2
33212
che la potenza attiva trifase di sistema trifase
simmetrico equilibrato; sopttraendo membro a
membro le due letture invece si ha
33
cos3
3
cos33
cos3sinsin2
1cos
2
3sin
2
1cos
2
33212
QEIEI
EIUIUIUIPP
che è la potenza reattiva diviso per la radice di tre.
98
VII) CAMPO MAGNETICO ROTANTE
DEDUZIONE,
CAMPO MAGNETICO ROTANTE
DI GALILEO FERRARIS. Si
considerino tre bobine disposte su di un
piano, aventi i riferimenti indicati in
figura, formanti una angolo di 120° a
due a due. Allora si ha che se la terna
delle tensioni che le alimenta è una terna
sinusoidale simmetrica, con pulsazione
ω, allora il campo magnetico generato
dalle tre correnti, nel punto di
intersezione degli assi degli
avvolgimenti, ha modulo costante ma
ruota nel piano delle tre bobine con
velocità ω. Inoltre la rotazione risulta antioraria se la terna delle correnti è diretta, oraria se la terna
delle correnti è inversa.
DIMOSTRAZIONE. Diciamo che la terna delle correnti in gioco sia simmetrica diretta ovvero che
sia data da
3
4cos
3
2cos
cos
3
2
1
tIti
tIti
tIti
M
M
M
I tre campi magnetici prodotti da ciascuna delle tra correnti nel punto di intersezione degli assi degli
avvolgimenti sono rispettivamente
33
22
11
3
4cos
3
2cos
cos
utHtH
utHtH
utHtH
M
M
M
Introduciamo ora un sistema di riferimento Oxy ed i relativi versori
i e
j . Allora si ha
99
6sin
6cos
6sin
6cos
3
2
1
jiu
jiu
ju
e dunque si riscrivono i tre campi magnetici nel seguente modo
6sin
6cos
3
4cos
6sin
6cos
3
2cos
cos
3
2
1
jitHtH
jitHtH
jtHtH
M
M
M
Concentriamoci ora sul primo campo magnetico. Esso può essere scomposto nella somma di due
vettori ruotanti a velocità ω, uno in senso orario ed uno in senso antiorario, entrambi di modulo
2/MH . Si può scrivere infatti
itH
itH
jtH
jtH
jtH
jtH
jtHtH
MMMM
MMM
sin2
sin2
cos2
cos2
cos2
cos2
cos1
jtH
itH
jtH
itH MMMM cos
2sin
2cos
2sin
2
Applicando le formule di Prostaferesi nella espressione del secondo campo magnetico si ottiene
invece
jtitH
jtitH
jttH
ittH
jtHitHtH
MM
MM
MM
6
5sin
6
5cos
22sin
2cos
2
6
5sin
2sin
26
5cos
2cos
2
6sin
3
2cos
6cos
3
2cos2
Anche qui dunque si ha la scomposizione in due vettori che ruotano in versi opposti, a velocità ω,
simmetricamente rispetto al campo magnetico somma.
Applicando le formule di Prostaferesi nella espressione del terzo campo magnetico si ottiene
analogamente
100
jtitH
jtitH
jttH
ittH
jtHitH
jitHtH
MM
MM
MM
M
2
3sin
2
3cos
26
7sin
6
7cos
2
2
3sin
6
7sin
22
3cos
6
7cos
2
6sin
3
4cos
6cos
3
4cos
6sin
6cos
3
4cos3
Anche qui dunque si ha la scomposizione in due vettori che ruotano in versi opposti, a velocità ω,
simmetricamente rispetto al campo magnetico somma.
Ora abbiamo due terne di vettori rotanti: una ruota in senso orario, l’altra in senso antiorario.
Entrambe hanno velocità di rotazione ω.
La somma dei tre vettori ruotanti che ruotano in senso antiorario è
jtitH
jtitH
jtitH
M
MM
6
7sin
6
7cos
2
6
5sin
6
5cos
2cossin
2
jtttH
itttH
jtttH
itttH
M
M
M
M
6
7sin
6
5sincos
2
6
7cos
6
5cossin
2
6
7sin
6
5sincos
2
6
7cos
6
5cossin
2
101
jtttttH
itttttH
M
M
2
1cos
2
3sin
2
1cos
2
3sincos
2
2
1sin
2
3cossin
2
1cos
2
3sin
2
002
02
2
1cos
2
3sin
2
1cos
2
3sincos
2
2
1sin
2
3cossin
2
1cos
2
3sin
2
jH
iH
jtttttH
itttttH
MM
M
M
La somma invece dei tre vettori ruotanti che ruotano in senso orario è invece
jtH
itH
jtttH
itttH
jtttH
itttH
jtitH
jtitH
jtitH
MMM
M
M
M
M
MM
cos2
3sin
2
3coscoscos
2
sinsinsin2
2
3sin
2sincos
2
2
3cos
2cossin
2
2
3sin
2
3cos
2
2sin
2cos
2cossin
2
In definitiva la somma dei tre campi magnetici generati dai tre avvolgimenti coincide con
quest’ultimo vettore trovato, ovvero con un campo magnetico di modulo 2
3 MH che ruota in senso
orario con velocità ω. Ciò dimostra la tesi.
OSSERAVZIONE,
CAMPO MAGNETICO ROTANTE E MACCHINE ELETTRICHE. Nelle macchine elettriche
non si ha il campo magnetico rotante di Galileo Ferraris, visto sopra, ma un altro tipo di campo
magnetico rotante. Con il precedente campo magnetico tuttavia condivide il fatto che è generato da
tre avvolgimenti alimentati da una terna simmetrica di correnti sinusoidali. Ma la disposizione degli
avvolgimenti è più complessa e la forma del campo magnetico è anch’essa più complessa.
Per la disposizione degli avvolgimenti e la forma del campo magnetico rotante in oggetto si può
andare ai capitoli sulle macchine elettriche rotanti.
Si aggiunge che la velocità angolare di rotazione del campo magnetico rotante che si sviluppa nelle
macchine elettriche rotanti non è pari alla pulsazione delle correnti di alimentazione degli
avvolgimenti, come nel caso del campo di Galileo Ferraris, ma è pari a p , essendo p il numero di
coppie polari della macchina.
102
CAPITOLO XI,
RETI TRIFASI NOTEVOLI
I)COLLEGAMENTO A STELLA CON NEUTRO DI
GENERATORE E CARICO
La terna delle tensioni di fase è
321 ,, EEE
mentre quella delle tensioni concatenate è
1331
3223
2112
EEU
EEU
EEU
DEDUZIONE,
LE CORRENTI DI LINEA. Le correnti di linea sono date da
3
33
2
22
1
11 ,,
Z
EI
Z
EI
Z
EI
DIMOSTRAZIONE. Consideriamo la maglia che comprende il primo generatore, la prima
impedenza ed il filo di neutro. In base alla LKT abbiamo
1
11111 0
Z
EIIZE
Analogamente si ricavano le altre tre correnti di linea.
DEDUZIONE,
GENERATORE SIMMETRICO E CARICO EQUILIBRATO. Se risulta che
1)la terna delle tensioni di fase del generatore è simmetrica (diretta o inversa),
2)il carico è equilibrato,
allora le correnti di linea costituiscono una terna simmetrica (rispettivamente diretta o inversa).
DIMOSTRAZIONE. La terna delle correnti si scrive
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EI
j
j
j
0
11
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EI
j
j
j
3
2
3
2
22
103
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EI
j
j
j
3
4
3
22
33
Si ottiene dunque una terna diretta sfasata di un angolo φ rispetto alla terna delle tensioni di fase.
DEDUZIONE,
DIFFERENZA DI POTENZIALE FRA I CENTRI STELLA. La differenza di potenziale fra i
centri stella è nulla.
DIMOSTRAZIONE. I due centri stella sono collegati dal filo di neutro che assumiamo essere un
conduttore ad impedenza nulla. Attraverso di esso dunque non si ha caduta di tensione.
II)COLLEGAMENTO DI STELLA DI GENERATORI E DI
STELLA DI IMPEDENZE SENZA NEUTRO
In questo caso la terna delle tensioni di fase non è misurabile dall’esterno poiché non è direttamente
accessibile il centro stella. Sono misurabili solo le tensioni concatenate.
DEDUZIONE,
LE CORRENTI DI LINEA. Le correnti di linea sono date da
3
321
3
3
2
2
1
1
3
3
2
321
3
3
2
2
1
1
2
2
1
321
3
3
2
2
1
1
1
1
111
,
111
,
111
Z
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
E
I
Z
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
E
I
Z
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
E
I
DIMOSTRAZIONE. Applicando una delle formule di Millmann possiamo affermare che
321
3
3
2
2
1
1
1
1
001111
|
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
Z
Z
E
Un
hh
n
hh
h
Considerando poi che, in base alla LKT, si ha
1
321
3
3
2
2
1
1
1
100111
111
|
Z
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
E
IUIZE
Espressioni analoghe valgono per le altre due correnti di linea.
104
DEDUZIONE,
GENERATORE SIMMETRICO E CARICO EQUILIBRATO. Se risulta che
1)la terna delle tensioni di fase del generatore è simmetrica (diretta o inversa),
2)il carico è equilibrato,
allora le correnti di linea costituiscono una terna simmetrica (rispettivamente diretta o inversa).
DIMOSTRAZIONE. L’ipotesi di carico equilibrato ci permette di scrivere per la prima corrente di
linea
Z
EEEE
Z
Z
Z
EEEE
Z
Z
Z
EEE
E
I 33
3321
1
3211
321
1
1
L’ipotesi di simmetria della terna di tensioni di fase del generatore ci permette di scrivere per la
prima corrente di linea
Z
E
Z
EEEE
I1
3211
13
Dunque si ottiene in definitiva che le correnti di linea sono
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EI
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EI
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EI
j
j
j
j
j
j
j
j
j
3
4
3
22
33
3
2
3
2
22
01
1
DEDUZIONE,
DIFFERENZA DI POTENZIALE FRA I CENTRI STELLA. In caso di carico equilibrato, cioè
di impedenze uguali fra loro, e di terna di tensioni di fase simmetrica la differenza di potenziale fra
i due centri stella, quello dei generatori e quello del carico, è nulla.
DIMOSTRAZIONE. Abbiamo dimostrato questa proposizione nella precedente deduzione. Infatti,
in base ad una delle formule di Millmann, la differenza di potenziale fra i due centri stella vale
321
3
3
2
2
1
1
1
1
001111
|
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
Z
Z
E
Un
hh
n
hh
h
105
Tale espressione, nel caso di carico equilibrato, si riduce a
33
1
1
321
321
1
1
00|EEE
Z
EEE
Z
Z
Z
E
Un
h
n
h
h
E tale espressione, nella ipotesi di terna delle tensioni di linea simmetrica, è nulla.
III)COLLEGAMENTO DI TRIANGOLO DI GENERATORI E DI
TRIANGOLO DI IMPEDENZE
In questo caso sono assenti i centri stella
sia del generatore tripolare che della
impedenza tripolare. Questo comporta, fra
l’altro, che non esistano le tensioni di fase.
Le tensioni concatenate sono invece date
dalle seguenti relazioni.
331
223
112
EU
EU
EU
DEDUZIONE,
LE CORRENTI DELLE FASI INTERNE. Applicando la LKT si trova immediatamente che le
correnti delle fasi interne sono date dalle espressioni
3
331
2
223
1
112 ,,
Z
EJ
Z
EJ
Z
EJ
DEDUZIONE,
LE CORRENTI DI LINEA. Applicando la LKC ai tre nodi del carico e tenendo presente il
risultato della precedente deduzione si trovano per le tre correnti di linea le espressioni
2
2
3
33
1
1
2
22
3
3
1
11
23313
12232
31121
Z
E
Z
EI
Z
E
Z
EI
Z
E
Z
EI
JJI
JJI
JJI
DEDUZIONE,
GENERATORE SIMMETRICO E CARICO EQUILIBRATO. CORRENTI DELLE FASI
INTERNE. Se risulta che
106
1)la terna delle tensioni concatenate del generatore è simmetrica (diretta o inversa),
2)il carico è equilibrato,
allora le correnti delle fasi interne costituiscono una terna simmetrica (rispettivamente diretta o
inversa).
DIMOSTRAZIONE. Riscriviamo le correnti delle fasi
interne assumendo che la terna concatenata costituisca
una terna simmetrica diretta. Si ha
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EJ
Z
Ee
Ze
Ee
Z
EJ
Z
Ee
Ze
E
Z
EJ
j
j
j
j
j
j
j
j
3
22
3
22
3
331
3
2
3
2
223
112
Si trova dunque che la terna delle correnti delle fasi interne è una terna simmetrica diretta sfasata in
ritardo di un angolo φ rispetto alla terna delle tensioni concatenate.
DEDUZIONE,
GENERATORE SIMMETRICO E CARICO EQUILIBRATO. CORRENTI DI LINEA. Se
risulta che
1)la terna delle tensioni concatenate del generatore è simmetrica (diretta o inversa),
2)il carico è equilibrato,
allora le correnti di linea costituiscono una terna simmetrica (rispettivamente diretta o inversa)
sfasata di π/6 rispetto la terna delle correnti delle fasi interne (rispettivamente in ritardo o in
anticipo).
DIMOSTRAZIONE. Nelle ipotesi fatte le correnti di linea sono date da
2sin32
6
7sin32
6sin32
23313
12232
31121
23313
12232
31121
tJjji
tJjji
tJjji
JJI
JJI
JJI
I calcoli necessari a questa dimostrazione si trovano nella parte generale sulle reti trifase, in
particolare nella sezione sull’esame del carico triangolare.
Si vede dalle espressioni come le correnti di linea siano una terna simmetrica diretta sfasata in
ritardo di π/6 rispetto alla terna delle correnti delle fasi interne. Il legame fra i valori efficaci delle
due terne di correnti è JI 3 .
107
IV)COLLEGAMENTO A TRIANGOLO DEL GENERATORE E A
STELLA DELL’UTILIZZATORE
Le tensioni concatenate sono
date, come nel caso precedente
da
331
223
112
EU
EU
EU
Coincidono cioè con la terna
delle f.e.m. dei generatori.
DEDUZIONE,
LE CORRENTI DI LINEA.
Nel caso di terna generica di tensioni concatenate e di carico generico le correnti di linea sono
323121
21323
323121
13212
323121
32131
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
DIMOSTRAZIONE.
Procediamo trasformando il carico in un carico a triangolo. Ricordiamo che
1
32312123
2
32312113
3
32312112
Z
ZZZZZZZ
Z
ZZZZZZZ
Z
ZZZZZZZ
Osserviamo inoltre che nella rete Δ-Δ così ottenuta abbiamo
108
323121
21323
323121
13212
323121
32131
23
2
31
33
12
1
23
22
31
3
12
11
23313
12232
31121
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
Z
E
Z
EI
Z
E
Z
EI
Z
E
Z
EI
JJI
JJI
JJI
DEDUZIONE,
GENERATORE SIMMETRICO E CARICO EQUILIBRATO.
Se risulta che
1)la terna delle tensioni di fase del generatore è simmetrica (diretta o inversa),
2)il carico è equilibrato,
allora le correnti di linea costituiscono la terna simmetrica (rispettivamente diretta o inversa) di
valore efficace Z
E3
sfasata di 6
rispetto alla terna delle tensioni concatenate (rispettivamente
in ritardo o in anticipo).
DIMOSTRAZIONE. Nel caso di carico equilibrato si ha
Z
EEI
Z
EEI
Z
EEI
3
,
3
,
3
233
122
311
Supponiamo ora che la terna delle tensioni concatenate sia la terna simmetrica diretta seguente
3
22
331
3
2
223
0112
331
223
112
3
22sin2
3
2sin2
sin2
j
j
j
UeEU
UeEU
UeEU
tUeu
tUeu
tUeu
Allora le correnti di linea si scrivono
3
2sin
3
22sin
32
sin3
2sin
32
3
22sinsin
32
33
33
33
3
2
1
3
2
3
2223
3
03
212
2
3
22
0311
ttZ
Ei
ttZ
Ei
ttZ
Ei
eeZe
E
Z
EEI
eeZe
E
Z
EEI
eeZe
E
Z
EEI
jj
j
jj
j
jj
j
Applicando una delle formule di Prostaferesi si ha
109
tZ
Et
Z
Ei
tZ
Et
Z
Ei
tZ
Et
Z
Ei
cos3
23
sincos23
2
3cos
32
3sin
3cos2
32
3
2cos
32
3
2sin
3
2cos2
32
3
2
1
Esprimendo tutto attraverso funzioni sinusoidali si ha poi
2sin
32
6
7sin
32
6sin
32
3
2
1
tZ
Ei
tZ
Ei
tZ
Ei
che rappresenta proprio una terna diretta di valore efficace ZE 3 sfasata di 6
in ritardo rispetto
alla terna delle tensioni concatenate.
V)COLLEGAMENTO A STELLA DEL GENERATORE E A
TRIANGOLO DEL CARICO
DEDUZIONE,
LE CORRENTI DELLE FASI INTERNE. In caso di carico generico e di tensioni di fase
generiche le correnti delle fasi interne sono
31
31
31
1331
23
23
23
3223
12
12
12
2112
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
DIMOSTRAZIONE. Si trova
immediatamente la tesi
applicando la LKT agli anelli
identificati dalle tre tensioni
concatenate.
DEDUZIONE,
LE CORRENTI DI LINEA. Nel caso di carico generico e di tensioni di fase generiche le correnti
di linea sono date da
110
23
23
31
313
12
12
23
232
31
31
12
121
Z
U
Z
UI
Z
U
Z
UI
Z
U
Z
UI
DIMOSTRAZIONE. Basta applicare la LKC ai nodi del carico e ricordare le espressioni trovate
per le correnti delle fasi interne.
DEDUZIONE,
GENERATORE SIMMETRICO E CARICO EQUILIBRATO. CORRENTI DELLE FASI
INTERNE. Se risulta che
1)la terna delle tensioni di fase del generatore è simmetrica (diretta o inversa),
2)il carico è equilibrato,
allora le correnti delle fasi interne costituiscono una terna simmetrica (rispettivamente diretta o
inversa) di valore efficace Z
E3 sfasata in ritardo di φ rispetto alla terna delle tensioni
concatenate.
DIMOSTRAZIONE. Diciamo che le tensioni di fase costituiscano la terna simmetrica diretta
3
22sin2
3
2sin2
sin2
3
2
1
tEe
tEe
tEe
Allora le tensioni concatenate si scrivono
6
5
31
223
612
3131
3223
2112
3
3
3
6
5sin32
2sin32
6sin32
j
j
j
eEU
eEU
eEU
tEeeu
tEeeu
tEeeu
e dunque le correnti delle fasi interne sono
111
6
5
31
1331
2
23
3223
6
12
2112
3
3
3
j
j
j
eZ
E
Z
EEJ
eZ
E
Z
EEJ
eZ
E
Z
EEJ
DEDUZIONE,
GENERATORE SIMMETRICO E CARICO EQUILIBRATO. CORRENTI DI LINEA. Se
risulta che
1)la terna delle tensioni di fase del generatore è simmetrica (diretta o inversa),
2)il carico è equilibrato,
allora le correnti di linea costituiscono una terna simmetrica (rispettivamente diretta o inversa) di
valore efficace Z
E3 sfasata in ritardo di φ rispetto alla terna delle tensioni di linea.
DIMOSTRAZIONE.
Trasformiamo il triangolo di impedenze in una stella di impedenze secondo le formule
33
321
Z
Z
Z
E
Z
E
Z
E
Z Y
Applicando ora una delle formule di Millmann si ha che la tensione fra i due centri stella è
33
321
321
EEE
Z
Z
E
Z
E
Z
E
U IOO
Dunque se applichiamo la LKT abbiamo
34
333
32
222
111
33
33
33
j
Y
j
Y
j
Y
eZ
E
Z
E
Z
EI
eZ
E
Z
E
Z
EI
eZ
E
Z
E
Z
EI
112
RETE 1(Yn-Yn) Carico generico Carico equilibrato
Terna delle
tensioni
concatenate
generica
3
33
2
22
1
11 ,,
Z
EI
Z
EI
Z
EI
0 iI ,
321
3
3
2
2
1
1
00111
|
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
U
Z
EI
Z
EI
Z
EI
33
22
11 ,,
0 iI ,3
321
00 |EEE
U
Terna delle
tensioni di linea
simmetrica
Diretta
3
3
4
3
2
3
2
2
1
1
3
2
1
Z
EeI
Z
EeI
Z
EeI
j
j
j
0 iI ,
321
3
3
2
2
1
1
00111
|
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
U
Z
EeI
Z
EeI
Z
EeI
j
j
j
3
4
3
3
2
2
1
0 iI , 000| U
RETE 2(Y-Y) Carico generico Carico equilibrato
Terna delle
tensioni di linea
generica
3
33
2
22
1
11 ,,
Z
EI
Z
EI
Z
EI
0 iI ,
321
3
3
2
2
1
1
00111
|
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
U
Z
EI
Z
EI
Z
EI
33
22
11 ,,
0 iI ,3
321
00 |EEE
U
Terna delle
tensioni di linea
simmetrica
Diretta
3
3
4
3
2
3
2
2
1
1
3
2
1
Z
EeI
Z
EeI
Z
EeI
j
j
j
0 iI ,
321
3
3
2
2
1
1
00111
|
ZZZ
Z
E
Z
E
Z
E
U
Z
EeI
Z
EeI
Z
EeI
j
j
j
3
4
3
3
2
2
1
0 iI , 000| U
113
RETE 3(D-D) Carico generico Carico equilibrato
Terna delle
tensioni
conactenate
generica
3
331
2
223
1
112 ,,
Z
EJ
Z
EJ
Z
EJ
2
2
3
323313
1
1
2
212232
3
3
1
131121
Z
E
Z
EJJI
Z
E
Z
EJJI
Z
E
Z
EJJI
0 iI
Z
EJ
Z
EJ
Z
EJ
331
223
112 ,,
Z
E
Z
EJJI
Z
E
Z
EJJI
Z
E
Z
EJJI
2323313
1212232
3131121
0 iI
Terna delle
tensioni
concatenate
simmetrica
Diretta
3
331
2
223
1
112 ,,
Z
EJ
Z
EJ
Z
EJ
2
2
3
323313
1
1
2
212232
3
3
1
131121
Z
E
Z
EJJI
Z
E
Z
EJJI
Z
E
Z
EJJI
0 iI
Z
EJ
Z
EJ
Z
EJ
331
223
112 ,,
sin32
sin32
sin32
23313
12232
31121
tJjji
tJjji
tJjji
0 iI
RETE 4(D-Y) Carico generico Carico equilibrato
Terna delle
tensioni
concatenate
generica
323121
21323
323121
13212
323121
32131
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
0 iI
Z
EEI
Z
EEI
Z
EEI
3
3
3
233
122
311
0 iI
114
Terna delle
tensioni
conactenate
simmetrica
Diretta
323121
21323
323121
13212
323121
32131
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
ZZZZZZ
EZEZI
0 iI
2sin
32
6
7sin
32
6sin
32
3
2
1
tZ
Ei
tZ
Ei
tZ
Ei
0 iI
RETE 5(Y-D) Carico generico Carico equilibrato
Terna delle
tensioni
concatenate
generica
23
23
31
313
12
12
23
232
31
31
12
121
Z
U
Z
UI
Z
U
Z
UI
Z
U
Z
UI
31
31
31
1331
23
23
23
3223
12
12
12
2112
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
0 iI
31
23313
12232
31121
Z
UUI
Z
UUI
Z
UUI
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
311331
233223
122112
0 iI
Terna delle
tensioni di linea
simmetrica
Diretta
23
23
31
313
12
12
23
232
31
31
12
121
Z
U
Z
UI
Z
U
Z
UI
Z
U
Z
UI
34
333
32
222
111
33
33
33
j
Y
j
Y
j
Y
eZ
E
Z
E
Z
EI
eZ
E
Z
E
Z
EI
eZ
E
Z
E
Z
EI
115
31
31
31
1331
23
23
23
3223
12
12
12
2112
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
Z
U
Z
EEJ
0 iI
6
5
31
1331
2
23
3223
6
12
2112
3
3
3
j
j
j
eZ
E
Z
EEJ
eZ
E
Z
EEJ
eZ
E
Z
EEJ
0 iI
116
CAPITOLO XII,
TRASFORMATORI
I) CIRCUITI ACCOPPIATI
LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ. Sia data una spira avente i riferimenti di corrente e
tensione come indicato in figura, cioè convenzionata da generatore. Si prenda una superficie S
avente bordo la spira stessa. Su S si
fissi un versore normale avente
verso tale da vedere la corrente della
spira circolare in senso antiorario.
Allora la tensione ai capi della spira
è data da
C
Sdt
ddSnB
dt
dtu
CIRCUITI ACCOPPIATI. Consideriamo il sistema fisico indicato in figura. Due avvolgimenti
sono avvolti attorno ad un nucleo ferromagnetico. Gli avvolgimenti sono percorsi da corrente e il
regime delle due correnti è sinusoidale. Dalla legge di Farady-Neumann-Lenz si ha che le tensioni
ai capi delle due spire verificano, con i riferimenti adottati, le relazioni
dt
tdN
dt
tNd
dt
tdtu
dt
tdN
dt
tNd
dt
tdtu
C
C
2
22
2
1
11
1
le quali , in termini fasoriali, diventano
jNU
jNU
22
11
117
Si osserva che il segno meno scompare nella prima equazione per il fatto che il riferimento di
tensione risulta invertito rispetto al caso della spira usata per introdurre la legge di F.-N.-L..
Il segno meno scompare anche nella seconda equazione, ma in questo caso perché il flusso della
induzione ha verso positivo entrante, anziché uscente.
Si evidenzia che si sono fatte le ipotesi semplificative seguenti:
1) si assume riluttanza nulla del nucleo ferromagnetico;
2) si è assunto che il flusso dell’induzione magnetica sia completamente canalizzato nel nucleo
ferromagnetico, cioè che non vi siano dispersioni del flusso;
3) si è attribuita resistenza nulla a entrambi gli avvolgimenti;
4) si è assunto che non vi siano perdite per isteresi e correnti parassite.
Di queste in realtà si sono sfruttate solo le ultime tre. La prima verrà sfruttata nel seguito.
DEFINIZIONE,
RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE. Definiamo rapporto di trasformazione il parametro
adimensionale
2
1
N
Nn
DEDUZIONE,
RELAZIONI DEI CIRCUITI ACCOPPIATI. Considerando il rapporto di trasmissione si ha
21
2
1
2
1
22
11
UnUnN
N
U
U
jNU
jNU
Ora la legge di Hopkinson ci dice che
02211 ININ
dove si è introdotta la riluttanza del nucleo ferromagnetico. Tuttavia l’ipotesi uno ci garantisce che
la riluttanza del nucleo ferromagnetico sia nulla. Dunque si ha
22
1
2122112211
10 I
nI
N
NIININININ
Dunque si trova che i circuiti accoppiati, nelle ipotesi semplificative fatte, sono descritti dalle
relazioni
22
1
21
21
1I
nI
N
NI
UnU
DEDUZIONE,
RELAZIONE TRA COEFFICIENTE DI MUTUA INDUZIONE E INDUTTANZE.
Sussistono le relazioni
118
2121
2
1
)3
0)2
0)1
LLMLL
L
L
DIMOSTRAZIONE. Si ricorda che l’energia magnetica che compete ai due circuiti accoppiati si
esprime
21
2
22
2
1122112
1
2
1
2
1
2
1iMiiLiLiiU
Ora dal dover essere questa quantità sempre positiva discende la tesi.
DEFINIZIONE,
COEFFICIENTE DI ACCOPPIAMENTO. Definiamo coefficiente di accoppiamento dei due
circuiti la quantità adimensionale
21LL
MK
la quale risulta, in base al terzo punto della tesi del precedente teorema, soddisfare la relazione
11 K
DEFINIZIONE,
ACCOPPIAMENTO PERFETTO E ISOLAMENTO MAGNETICO. Se il coefficiente di
accoppiamento ha valore assoluto unitario, allora si parla di accoppiamento perfetto fra i due
circuiti. Se è invece nullo (cioè se il coefficiento di mutua induzione vale zero) allora i due circuiti
si dicono magneticamente isolati.
II) TRASFORMATORE IDEALE
DEFINIZIONE,
TRASFORMATORE IDEALE. Definisco trasformatore ideale quel doppio bipolo la cui
caratteristica esterna sia quella trovata per i circuiti accoppiati nelle ipotesi semplificative adottate,
ovvero
21
21
21
21
11I
nI
UnU
tin
ti
tnutu
Il simbolo adottato per il trasformatore
ideale è quello indicato in figura.
DEFINIZIONE,
RAPPRESENTAZIONE DI TRASMISSIONE. Più propriamente quella che noi abbiamo
definito caratteristica esterna del doppio bipolo trasformatore ideale è detta rappresentazione di
trasmissione alla porta uno. Naturalmente la rappresentazione di trasmissione alla porta due sarà
119
12
12
12
12
11
InI
Un
U
tniti
tun
tu
DEDUZIONE,
PRIMA PROPRIETA’ DEL TRASFORMATORE IDEALE. Assunto che sia 1n si ha che il
trasformatore ideale riduce la tensione alla seconda porta e amplifica l’intensità di corrente alla
seconda porta.
DEDUZIONE,
CONSERVAZIONE DELLE POTENZE. Nel trasformatore ideale si ha che
1)la potenza istantanea che entra alla prima porta è pari a quella che esce dalla seconda, qualunque
sia il regime di funzionamento;
2)in regime sinusoidale la potenza complessa che entra alla prima porta è pari alla potenza
complessa che esce dalla seconda.
Cioè il trasformatore ideale non assorbe potenza.
DIMOSTRAZIONE. La potenza istantanea che entra alla prima porta è
tutitnutin
tutitp 2222111
1
e dunque coincide con la potenza istantanea che esce dalla seconda porta
tutitp 222
Questo prova la prima tesi. Inoltre, in regime sinusoidale, la potenza complessa che entra alla prima
porta è
*
22
*
22
*
111
1IUI
nUnIUS
e dunque coincide con la potenza complessa che esce
dalla seconda porta
*
222 IUS
DEDUZIONE,
CHIUSURA DEL SECONDARIO. Se collego la
seconda porta del trasformatore ideale ad una impedenza
2Z , allora il trasformatore stesso, visto dalla porta uno, è
equivalente ad una impedenza
2
21 ZnZ eq
120
DIMOSTRAZIONE.L’impedenza equivalente verifica la relazione
2
22
2
2
1
11
1 I
Un
In
Un
I
UZ eq
D’altra parte l’impedenza collegata alla porta due deve verificare la realzione
2
2
2I
UZ
Sostituendo la seconda espressione nella prima si ha
22
2
2
1
11
1
Zn
In
Un
I
UZ eq
che è la tesi.
DEDUZIONE,
CHIUSURA DEL PRIMARIO. Se collego la prima porta
del trasformatore ideale ad una impedenza
1Z , allora il
trasformatore stesso, visto dalla porta due, è equivalente ad
una impedenza
122
1Z
nZ eq
DIMOSTRAZIONE.L’impedenza equivalente verifica la
relazione
1
1
21
1
2
22
1
1
I
U
nIn
Un
I
UZ eq
dove il segno meno è dovuto al fatto che tale impedenza risulta convenzionata da generatore.
D’altra parte l’impedenza collegata all’induttore primario deve verificare la relazione
1
1
1I
UZ
Ora sostituendo la seconda espressione nella prima si ha
12
12
1
1
2
22
11
1
Z
nZ
nIn
Un
I
UZ eq
121
e dunque la tesi è dimostrata.
DEDUZIONE,
TRASFERIMENTO DI IMPEDENZA. Si
vuole dimostrare che i due doppi bipoli
seguenti (ottenuti collegando il trasformatore
ideale in parallelo con una impedenza, una
volta a primario e una volta a secondario)
sono equivalenti, cioè hanno la stessa
rappresentazione di trasmissione alla porta
uno.
DIMOSTRAZIONE. Ricaviamo la
rappresentazione di trasmissione alla porta
uno del bipolo in alto nella illustrazione. Si ha
22
22
21
111
21
111I
nZ
UnI
nZ
UnI
nZ
UIII
UnU
TTTZ
Ora ricaviamo la rappresentazione di trasmissione alla porta uno del secondo doppio bipolo
22
2
2
222211
21
1
1
111I
nZ
UnI
Zn
U
nII
nI
nII
UnU
ZTT
Ma le due rappresentazioni coincidono e dunque i due doppi bipoli sono equivalenti.
II) VERSO IL TRASFORMATORE REALE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA
INTRODUZIONE. In questo paragrafo e nei successivi rimuoviamo le quattro ipotesi
semplificatrici fatte, le quali permettono di schematizzare il sistema fisico costituito dai due
avvolgimenti accoppiati per mezzo di un nucleo di materiale ferromagnetcio (vedi la seconda
illustrazione del presente capitolo) attraverso quel particolare doppio bipolo detto trasformatore
ideale.
Rimuoviamo una ad una le quattro ipotesi, procedendo nell’ordine seguente
1) si assume riluttanza non nulla del nucleo ferromagnetico;
2) si ammettono dispersioni del flusso della induzione;
3) si assegna resistenza non nulla a entrambi gli avvolgimenti;
4) si considerano le perdite per isteresi e correnti parassite.
Alla prima ipotesi che cade parliamo di trasformatore ideale con riluttanza; al cadere sia della prima
che della seconda ipotesi, parliamo di trasformatore ideale con riluttanza e dispersione; al cadere sia
della prima, che della seconda, che della terza ipotesi, parliamo di trasformatore ideale con
122
riluttanza, dispersione e resistenza; Al cadere di tutte e quattro le ipotesi parliamo di trasformatore
reale.
DEDUZIONE,
RILUTTANZA NON NULLA. Facciamo cadere l’ipotesi di riluttanza nulla per il nucleo
ferromagnetico. Allora la rappresentazione di trasmissione alla porta uno del trasformatore ideale
con riluttanza è
2
1
11
21
1I
nLj
UI
UnU
DIMOSTRAZIONE. Partiamo, come ad inizio capitolo, dalla legge di Farady-Neumann-Lenz. Si
ha
dt
tdN
dt
tNd
dt
tdtu
dt
tdN
dt
tNd
dt
tdtu
C
C
2
22
2
1
11
1
Da qui ricaviamo subito la prima equazione della rappresentazio di trasmissione alla porta uno
tnututuN
Ntu
N
N
tu
tu212
2
1
1
2
1
2
1
In base alla legge di Hopkinson (o, se si vuole, alla
legge LKT per circuiti magnetici) si ha poi
02211 ttiNtiN
dove si è introdotta la riluttanza del nucleo ferromagnetico (vedi lo schema circuitale in figura).
Dunque si ha
1
2
1
2
12211 0N
tti
N
NtittiNtiN
Adesso ricaviamo la relazione fra riluttanza e induttanza del primo avvolgimento. Se nella LKT
poniamo nulla la seconda corrente si ha in particolare
t
tiNttiN
11
11 0
D’altra parte, per definizione di autoinduttanza, si ha
ti
tNLtiLtN
1
1
1111
123
Dunque si trova
1
2
1
2
1
11
2
1
1
1
1L
NN
tiN
tN
ti
tNL
Sostituendo nella espressione della corrente dell’avvolgimento primario si ha
1
1
2
1
2
1L
Ntti
N
Nti
Fin qui dunque si è trovata la rappresentazione di trasmissione alla porta uno
1
1
21
21
1
L
Ntti
nti
tnutu
che in termini fasoriali, in caso di regime sinusoidale, si scrive
1
121
21
1
L
NI
nI
UnU
Ora si osservi che, per la legge di Farady-Neumann-Lenz, si ha
j
UNjNU
dt
tdNtu
1
11111
e dunque la rappresentazione di trasmissione alla porta uno si scrive
2
1
11
21
1I
nLj
UI
UnU
e la tesi è dimostrata.
DEDUZIONE,
RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE E INDUTTANZE PER IL TRASFORMATORE
IDEALE CON RILUTTANZA. Nel trasformatore ideale con riluttanza si verifica che il rapporto
di trasmisione è dato da
2
1
L
Ln
DIMOSTRAZIONE. La LKT per il circuito magnetico costituito dai due avvolgimenti e dal
nucleo ferromagnetico, con le convenzioni adottate per le forze magneto motrici, si scrive
124
02211 ttiNtiN
Questa relazione è sempre vera, dunque in particolare è vera quando è nulla la corrente nel secondo
avvolgimento. In tal caso si ha
ttiN 11
D’altra parte la definizione di autoinduttanza ci permette di scrivere
2
1
2
1
1
1
1111111
NN
i
NLiLNiLC
Ragionando allo stesso modo si trova
2
2
2
NL
Dunque si conclude che
2
2
2
2
1
2
1 nN
N
L
L
che è la tesi.
DEDUZIONE,
SCHEMA EQUIVALENTE DEL TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA. In
base a quanto appena dimostrato il trasformatore ideale con riluttanza può essere rappresentato
come un trasformatore ideale il cui
primario è collegato in parallelo con
l’induttanza del primo avvolgimento,
come indicato nella figura, dove sono
introdotte la corrente magnetizzante a
primario e la corrente secondaria riportata
a primario (vedi le definizioni che
seguono).
In base a quanto dimostrato sulla proprietà
di trasferimento dell’impedenza del
trasformatore ideale, abbiamo poi che lo
stesso trasformatore può essere rappresentato come il trasformatore ideale il cui secondo
avvolgimento è collegato in parallelo con la induttanza
12
1L
n
che tra l’altro è proprio l’induttanza del secondo avvolgimento. Quindi, in definitiva, il
trasformatore con riluttanza non nulla del nucleo, si può rappresentare anche nel modo qui
raffigurato.
125
Questo secondo doppio bipolo suggerisce la rappresentazione di trasmissione alla porta due,
rappresentazione la quale si ricava da quella alla porta uno mettendo in evidenza le grandezze della
porta due. Si ha
1
2
21
1
121
1
12
12
1
InLj
UIn
nLj
UnIn
Lj
UnI
Un
U
DEDUZIONE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA: ACCOPPIAMENTO PERFETTO. Nel
trasformatore ideale con riluttanza si verifica l’accoppiamento perfetto.
DIMOSTRAZIONE. Consideriamo il primo avvolgimento del trasformatore ideale con riluttanza.
La legge di Farady-Neumann-Lenz ci dice che
11
1221111
211
11 IL
j
UIMIMjIjLjU
dt
diM
dt
diL
dt
du C
C
Ma dalla rappresentazione di trasmissione alla porta uno si ha
2
1
11
1I
nLj
UI
e dunque abbiamo
21
22212
1
212
12
1
1
1
111
12
1LLMILLI
L
LLI
n
LI
nLj
UL
j
UIL
j
UIM
e l’accoppiamento è perfetto.
DEFINIZIONE,
CORRENTE MAGNETIZZANTE. Dato il doppio bipolo trasformatore ideale con riluttanza non
nulla definiamo corrente magnetizzante alla porta uno la corrente
1
11
Lj
UI
E’ la corrente che transita nella induttanza del primo avvolgimento.
Definiamo invece corrente magnetizzante alla porta due la corrente
2
22
Lj
UI
E’ la corrente che transita nell’induttanza del secondo avvolgimento.
126
DEFINIZIONE,
CORRENTE SECONDARIA RIPORTATA A PRIMARIO. Dato il trasformatore ideale con
riluttanza non nulla, diciamo corrente secondaria riportata a primario la corrente
212
1I
nI
E’ la corrente che entra nel primario del trasformatore ideale.
DEFINIZIONE,
CORRENTE PRIMARIA RIPORTATA A SECONDARIO. Dato il trasformatore ideale con
riluttanza non nulla, diciamo corrente primaria riportata a secondario la corrente
212
1I
nI
E’ la corrente che esce dal secondario del trasformatore ideale.
DEDUZIONE,
FUNZIONAMENTO A VUOTO. Si parla di funzionamento a vuoto quando la corrente del
secondo avvolgimento è nulla. Gli schemi equivalenti del trasformatore ideale con secondario a
vuoto sono i due qui riportati.
Nel primo caso si ha l’equivalenza con un bipolo induttore. Riportando però l’impedenza a
secondario si ha un trasformatore ideale chiuso su una impedenza.
III) VERSO IL TRASFORMATORE REALE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA E
DISPERSIONE DEL FLUSSO
DEDUZIONE,
RILUTTANZA NON NULLA E DISPERSIONE DEL FLUSSO. Se cadono le ipotesi di
riluttanza nulla del nucleo e di perfetta canalizzazione del flusso della induzione allora la
rappresentazione di trasmissione alla porta uno si scrive
2111
1
11
222111
In
ILjU
Lj
UI
ILjUnILjU
d
dd
127
DIMOSTRAZIONE. Rappresentiamo i flussi dispersi mediante i due fasori indicati in figura.
Considerati tali flussi la legge di Farady-Neumann-Lenz si scrive
dt
tdN
dt
tdN
dt
tdtu
dt
tdN
dt
tdN
dt
tdtu
dC
dC
222
22
111
11
che ai fasori diventa
d
d
jNjNU
jNjNU
2222
1111
Facciamo ora le posizioni
2
222
1
111
I
NL
I
NL
d
d
d
d
Con ciò si ha
dd
dd
LIjjNjNjNU
LIjjNjNjNU
2222222
1111111
Da cui si ricava la relazione fra i fasori delle tensioni
ddddd
ddd
d
d
LInjLIjUnLInjLIjLInjjN
LInjLInjLIjjNULInjjNUn
LIjjNU
221122211221
22221111
2212
1111
128
Adesso si deve ricavare la relazione fra i fasori delle correnti. A tale scopo si consideri il disegno
del circuito magnetico costituito dal nucleo e dai passaggi in aria del flusso disperso. La LKT alla
maglia esterna porge
2
1
12211
10 I
nNIININ
Tenendo poi conto che
dd LIj
UNjNjNU 11
1
11111
si deve concludere che
2
1
111
22
1
1
2
111
1
22
1
111
2
1
1
1
111
InLJ
LIJU
InN
L
NLI
j
U
InN
LIj
U
InN
I
d
dd
Dunque la rappresentazione alla porta uno del trasformatore ideale con riluttanza e dispersione si
scrive
2
1
1111
222111
1I
nLj
ILjUI
ILjUnILjU
d
dd
E la tesi è dimostrata.
DEDUZIONE,
SCHEMA EQUIVALENTE DEL TRASFORMATORE CON RILUTTANZA E
DISPERSIONE DEL FLUSSO. Dalla rappresentazione di trasmissione alla porta uno si riconosce
che a primario si ha una caduta di tensione da induttanza e che stessa cosa si ha a secondario. Le
induttanze sono quelle legate al flusso disperso. Si osserva che le tensioni raccolte in parentesi nella
rappresentazione di trasmissione qui sopra sono quelle ai capi del trasformatore ideale. Si vede
anche che la corrente magnetizzante a primario si stacca dalla corrente di alimentazione dopo la
caduta di tensione dovuta alla induttanza di dispersione. Allora lo schema equivalente del
trasformatore con riluttanza e dispersione non può che essere quello qui raffigurato.
Anche qui si sono introdotte la corrente di magnetizzazione e la corrente secondaria riportata a
primario, le quali in queso caso valgono
129
1
1111
Lj
ILjUI d
212
1I
nI
I riquadri isolano il trasformatore ideale (riquadro interno) e il trasformatore ideale con riluttanza
(riquadro esterno). Il trasformatore ideale con riluttanza e dispersione si ottiene collegando in serie
al trasformatore ideale con riluttanza due induttanze, una a primario ed una a secondario.
La rappresentazione di trasmissione a secondario del trasformatore ideale con riluttanza e
dispersione si ricava facilmente. Si ha
2
222
12
111222
1
222212
111222
1
11112
111
222
2
1
1111
222111
1
Lj
ILjUInI
n
LIjUILjU
Lj
ILjUnInI
n
LIjUILjU
Lj
ILjUnInI
n
LIjUILjU
InLj
ILjUI
ILjUnLIjU
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
dd
e lo schema equivalente è quello indicato in figura, il quale poi poteva anche essere desunto dalla
proprietà del trasferimento di impedenza del trasformatore ideale.
130
IV) VERSO IL TRASFORMATORE REALE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA,
DISPERSIONE DEL FLUSSO
E RESISTENZA NEGLI AVVOLGIMENTI
DEDUZIONE,
TRASFORMATORE IDEALE CON RILUTTANZA, DISPERSIONE E RESISTENZA. La
rappresentazione di trasmissione alla porta uno del trasformatore ideale con riluttanza, dispersione e
resistenza è
2
1
11111
22221111
1I
nLj
ILjRUI
ILjRUnILjRU
d
dd
La rappresentazione di trasmissione alla porta due è
2
222212
1111
2222
Lj
ILjRUInI
n
LIjRUILjRU
d
d
d
DIMOSTRAZIONE. La resistenza degli avvolgimenti è messa in conto inserendo una resistenza
1R in serie con la induttanza di dispersione a primario e una resistenza 2R in serie con la induttanza
di dispersione a secondario. Da ciò le due rappresentazioni di trasmissione indicate.
131
DEDUZIONE,
SCHEMA EQUIVALENTE DEL TRASFORMATORE CON RILUTTANZA,
DISPERSIONE DEL FLUSSO E RESISTENZA. Gli schemi equivalenti in questo caso si
ottengono mettendo in serie alle induttanze di dispersione due resistenze. Sono dunque quelli in
figura.
I riquadri isolano, da quello più interno, a quello più esterno
1)il trasformatore ideale;
2)il trasformatore ideale con riluttanza;
3)il trasformatore ideale con riluttanza e dispersione;
4)il trasformatore ideale con riluttanza, dispersione e resistenza negli avvolgimenti.
V) TRASFORMATORE REALE
DEDUZIONE,
TRASFORMATORE REALE. La rappresentazione di trasferimento alla porta uno del
trasformatore reale (ovvero del trasformatore ideale con riluttanza, dispersione, resistenza e perdite
nel nucleo) è la seguente
2
1
1
11111
22221111
1I
n
LjR
RLj
ILjRUI
ILjRUnILjRU
d
dd
mentre la rappresentazione di trasferimento alla porta due è data da
1
1
2222212
11112222
LjR
RLj
ILjRUnInI
n
LIjRUILjRU
d
dd
DIMOSTRAZIONE. Ricordiamo che la perdita di potenza causata da isteresi e correnti parassite
è proporzionale al quadrato del valore massimo della induzione magnetica. Ora consideriamo che
nel trasformatore ideale la tensione ai capi del primario, per la legge di Farady-Neumann-Lenz è
SBNjNj 11
dove S è la sezione del nucleo ferromagnetico. Dunque il suo valore efficace sarà
MM kB
SBN
2
1
Se ora mettiamo una resistenza R in parallelo all’avvolgimento primario del trasformatore ideale, la
potenza dissipata, per effetto Joule, da tale resistenza sarà
132
R
kBM
2
Questo per dire che le perdite per isteresi e correnti parassite possono essere rappresentate da una
resistenza messa in parallelo al trasformatore ideale. Da ciò deriva la tesi, dove si è considerata una
resistenza R in parallelo con il trasformatore ideale, a primario, e dunque con l’impedenza
dell’avvolgimento primario. Infatti l’impedenza così costituita si scrive
1
1
1
1
1
1
1
11
LjR
RLj
RLj
LjR
LjR
La rappresentazione di trasmissione a secondario si ottiene poi immediatamente da quella a
primario.
DEDUZIONE,
SCHEMA EQUIVALENTE DEL TRASFORMATORE REALE. Per quanto visto si parte dale
trasformatore ideale con riluttanza, perdite e resistenza e vi si aggiunge in parallelo a primario una
resistenza. Naturalmente lo schema equivalente può essere fatto anche trasferendo la resistenza a
secondario con l’accortezza di dividerla per il quadrato del rapporto di trasformazione (proprietà del
trasferimento di impedenza del trasformatore ideale).
DEDUZIONE,
DIAGRAMMA FASORIALE DEL TRASFORMATORE REALE. Si assumono note la
tensione e la corrente a secondario. Si disegna allora il diagramma fasoriale secondo l’ordine
seguente.
1) si tracciano tensione e corrente del secondario (nel diagramma si è assunto corrente in ritardo di
fase, ovvero carico resistivo-induttivo);
133
2) si disegna la tensione a
secondario del trasformatore
ideale che si indica
22222 ILjRUE d
3) si disegna la tensione a
primario del trasformatore
ideale che si indica
11111 ILjRUE d
e che risulta in fase con 2E
essendo 21 EnE (nel
diagramma si assume n>1);
4) si disegna la corrente
secondaria riportata a primario,
data da
212
1I
nI
in fase dunque con 2I (nel
diagramma si assume n>1);
5) la corrente
1
1
1
1
1
1111
1
1111
1110
Lj
E
R
E
Lj
ILjRU
R
ILjRU
III
dd
a
detta corrente a vuoto, le cui componenti sono rispettivamente in fase e in quadratura in ritardo
rispetto ad 1E ;
6) la corrente primaria 1I data da
12101 III
7) la tensione primaria data da
11111 ILjREU d
134
VI) FUNZIONAMENTO A VUOTO DEL TRASFORMATORE
REALE
DEFINIZIONE,
IMPEDENZA A VUOTO A PRIMARIO. Definiamo impedenza a vuoto a primario la impedenza
dovuta alla riluttanza del nucleo e alle
perdite del nucleo. Si pone
1
1
1
1
10
11
LjR
RLj
LjRZ
DEDUZIONE,
FUNZIONAMENTO A VUOTO DEL
TRASFORMATORE REALE. A vuoto
il trasformatore reale presente i due
schemi equivalenti seguenti. Nel primo
abbiamo una serie di due impedenze,
l’impedenza
dLjRZ 111
e l’impedenza
1
1
1
1
10
11
LjR
RLj
LjRZ
Riportando quest’ultima a seconadrio si
ha il secondo schema equivalente.
Si deve osservare che nei trasformatori di potenza4 in genere il modulo della prima impedenza
(quella dovuta a resistenza nell’avvolgimento e a perdite di flusso) è circa 1000 volte minore di
quello della seconda (quella dovuta a perdite nel nucleo e alla riluttanza del nucleo) e dunque,
essendo le due in serie, la prima può trascurarsi rispetto alla seconda. Ne segue che la
rappresentazione di trasferimento alla porta uno del trasformatore è
1
1
1
10
11110
101
11
2211
LjR
RLj
E
Z
EIII
ZZ
EI
EnUnEU
a
DEFINIZIONE,
CORRENTE A VUOTO A PRIMARIO. Dico corrente a vuoto a primario il valore efficace della
corrente che circola nella impedenza a vuoto a primario quando la tensione a primario ha valore
efficace pari a quello della tensione nominale a primario. Dunque essa vale
4 Sono quei trasformatori nei quali la frequenza è uguale a quella industriale, ovvero sui 50 o 60 Hz.
135
10
110
Z
UI n
Essa spesso è considerata sottoforma di corrente percentuale. Si parla allora di corrente a vuoto a
primario percentuale, data da
100100%110
1
1
1010
n
n
n IZ
U
I
Ii
dove a denominatore compare la corrente nominale a primario.
OSSERVAZIONE,
CONCLUSIONE. Il trasformatore a vuoto si comporta come un trasformatore ideale per quanto
concerne le tensioni, ma non per quanto riguarda le correnti. Infatti basti vedere che pur essendo
nulla la corrente del secondo avvolgimento, la corrente del primo avvolgimento è non nulla.
VI) FUNZIONAMENTO IN CORTOCIRCUITO DEL
TRASFORMATORE REALE
DEFINIZIONE,
COTOCIRCUITO. Si parla di cortocircuito del trasformatore reale quando il secondario è
cortocircuitato. In queste condizioni le correnti a primario e a secondario sono dette di cortocircuito
e si pone
cc
cc
II
II
22
11
DEDUZIONE,
SCHEMA EQUIVALENTE RIPORTATO A PRIMARIO. Quando si studia il comportamento
in cortocircuito del trasformatore reale si riporta a primario l’impedenza che si trova a seconadrio.
Sfruttando dunque il risultato di una proprietà del trasformatore ideale (vedi il teorema ‘chiusura del
secondario’) si passa dallo schema equivalente disegnato sopra a quello disegnato più sotto, dove
compare l’impedenza
136
2
212 ZnZ
Poiché poi l’impedenza dovuta a riluttanza e induttanza di avvolgimento è, nei trasformatori di
potenza, circa 1000 volte superiore a quella dovuta a perdite nel nucleo e flusso disperso, lo schema
equivalente si riduce a quello più sotto.
DEFINIZIONE,
IMPEDENZA DI CORTOCIRCUITO A
PRIMARIO. Si consideri lo schema
equivalente del trasformatore in corto
circuito. Le due impedenze in serie a
primario costituiscono una impedenza detta
impedenza di corto circuito a primario. Si
pone
2
2
11 ZnZZ c
DEFINIZIONE,
IMPEDENZA DI CORTOCIRCUITO A
SECONDARIO. Se riportiamo a secondario
l’impedenza di cortocircuito a primario otteniamo
la così detta impedenza di cortocircuito a
secondario. Poniamo
22
1
2
12 Z
n
Z
n
ZZ
cc
DEDUZIONE,
SCHEMA EQUIVALENTE RIPORTATO A SECONDARIO. Riportando a seconadrio
l’impedenza di cortocircuito a primario otteniamo lo schema equivalente qui disegnato.
DEFINIZIONE,
TENSIONE PRIMARIA DI CORTOCIRCUITO. La tensione primaria di cortocircuito è la
tensione efficace che si avrebbe a primario qualora circolasse in esso la corrente nominale primaria,
dunque
cnc ZIU 111
Si usa anche introdurre una tensione primaria di cortocircuito percentuale
100%1
111
n
cnc
U
ZIu
DEFINIZIONE,
TENSIONE SECONDARIA DI CORTOCIRCUITO. La tensione secondaria di cortocircuito è
la tensione efficace che si avrebbe a secondario se in esso circolasse la corrente nominale
secondaria, dunque
137
cnc ZIU 222
Si usa anche introdurre una tensione secondaria di cortocircuito percentuale
100%2
222
n
cnc
U
ZIu
DEDUZIONE,
TENSIONI PERCENTUALI DI CORTOCIRCUITO. Le due tensioni percentuali di
cortocircuito sono uguali fra loro.
DIMOSTRAZIONE. Si osservi che
100100100%2
22
2
2
2
2
1
111
n
cn
n
cn
n
cnc
U
ZI
nU
Zn
n
I
U
ZIu
Si pone allora
%%% 21 cccc uuu
DEFINIZIONE,
FATTORE DI POTENZA IN CORTOCIRCUITO. Definisco fattore di potenza in cortocircuito
cccc ZZ 21 argcosargcoscos
DEFINIZIONE,
TRIANGOLO DI CORTOCIRCUITO. Nel caso in cui le correnti primaria e secondaria abbiano
valore efficace pari a quello delle correnti nominali, il diagramma fasoriale prende il nome di
triangolo di cortocitcuito.
VII) MISURA DEI PARAMETRI DEGLI SCHEMI EQUIVALENTI
La misura dei parametri degli schemi equivalenti del trasformatore può essere effettuata attraverso
gli strumenti di misura indicati nella illustrazione.
138
PROVA A VUOTO. L’interruttore S sia aperto. Il primario sia alimentato. Allora gli strumenti
consentono di calcolare l’impedenza a vuoto a primario. Si ha infatti
11
0
11
0
1
1
10
arccoscosIU
P
IU
P
I
UZ
Sarà inoltre possibile ricavare anche
il rapporto di trasformazione
2
1
U
Un
PROVA IN CORTOCIRCUITO. L’interruttore S sia ora chiuso. Il primario sia alimentato. Il
modulo dell’impedenza di cortocircuito a primario si ricava dalle misure del voltmetro e
dell’amperometro a primario, infatti
2
1
2
1
1
1n
ZZ
I
UZ c
cc
e ovviamente, dalla conoscenza del rapporto di trasformazione deriva anche la conoscenza della
impedenza di cortocircuito a secondario. L’argomento della impedenza di cortocircuito si ricava
dalla misura del wattmetro. Si infatti
1111
arccoscosIU
P
IU
Pcc
139
VII) FUNZIONAMENTO A CARICO
Il funzionamento a carico si realizza quando la porta del secondario è chiusa su di un carico.
SCHEMA EQUIVALENTE SEMPLIFICATO. Partiamo dallo schema equivalente del
trasformatore reale chiuso a secondario su un carico. Spostiamo a primario la impedenza del
secondario in cui sono considerati gli effetti della resistenza dell’avvolgimento a secondario e della
dispersione del flusso di induzione da parte dell’avvolgimento secondario. Fatto ciò si osserva che
in genere si ha
11 EU
e ciò ci induce a slittare l’impedenza a vuoto del primario a
monte della impedenza del primario. Otteniamo così a
primario una impedenza serie la quale non è altro che
l’impedenza di cortocircuito a primario.
Quello che così si ottiene è lo schema semplificato a cui si
ricorre per descrivere il funzionamento del trasformatore reale
chiuso su di un carico.
DIAGRAMMA FASORIALE. Per disegnare il diagramma
fasoriale del trasformatore reale chiuso su di un carico si
procede secondo i passi seguenti.
1) Si assumono note la tensione e la corrente del secondario, ovvero del carico.
140
2) Si tracciano la corrente secondaria riportatta a primario e la tensione 2E .
3) Si risale alla tensione a primario tracciando il fasore della caduta di tensione in corrisponedenza
della impedenza di cortocircuito.
SECONDO SCHEMA EQUIVALENTE SEMPLIFICATO. Se non ci interessa conoscere la
corrente a vuoto del primario, ovvero la 10I , allora possiamo
non considerare l’impedenza a vuoto a primario. Trasportando
poi a secondario l’impedenza a vuoto a primario otteniamo lo
schema equivalente indicato in figura.
E’ evidente allora come, dal punto di vista del carico, il
trasformatore non sia che un generatore normale di tensione
avente tensione imposta
12
1U
nEE
Si riporta anche il diagramma fasoriale relativo a questa
situazione.
METODO GRAFICO PER LA DETERMINAZIONE DELLA CADUTA DI TENSIONE A
SECONDARIO. Ci interessa conoscere la caduta di tensione che si verifica nell’avvolgimento
secondario quando da aperto che sia lo chiudiamo su di un carico. In particolare ci interessa la
caduta in termini di valore efficace. Vogliamo cioè conoscere la quantità
222202 UEUUU
A tale scopo si usa una formula approssimata che si ricava da un metodo grafico illustrato nel
seguito.
Si parte dal diagramma fasoriale del secondo schema equivalente introdotto. Si tralascia la tensione
del primario che ora non ci interessa.
141
Il metodo si basa sulla ssunzione che il segmento CD sia di
lunghezza trascurabile. Ovvero che la caduta di tensione, in
termini di valori efficaci, sia esprimibile come
sincos 222222 cc XRIABBCUEU
Dunque si distinguono i tre casi seguenti.
1) Nel passaggio da vuoto a carico si ha una caduta di
tensione. Allora si verifica che
c
c
cc
cc
X
RXR
XRIUEU
2
2
22
222222
tan0sincos
0sincos
Cioè la tensione a secondario scende da vuoto a carico se
esso è chiuso su di un carico ohmico-capacitivo,
prevalentemente ohmico, oppure se il carico è ohomico
induttivo.
2) Nel passaggio da vuoto a carico si ha un aumento di
tensione. Ragionando come sopra si vede che questo accade
in caso in cui il secondario si chiuda su un carico ohmico-
induttivo.
3) Nel passaggio da vuoto a carico la tensione resta inalterata. Il carico sarà dunque
prevalentemente resistivo.
CADUTA DI TENSIONE PERCENTUALE. Spesso la caduta di tensione è espressa sulla
tensione a vuoto a secondario. Si parla di caduta di tensione percentuale e si esprime
100
sincos100%
20
222
20
22
U
XRI
U
Uu cc
VIII) RENDIMENTO DEL TRASFORMATORE
PERDITE. Le perdite di potenza che si verificano nel trasformatore reale sono di due tipi.
Esaminiamole una ad una.
1) Perdite nel rame. Si tratta delle perdite di potenza dovute alla resistenza elettrica dei due
avvolgimenti. Se facciamo riferimento allo schema equivalente semplificato del trasformatore reale
tali perdite si possono esprimere nel seguente modo
2
22
2
22
22
11 IRnIn
RIRP c
cccu
2) Perdite nel ferro. Si tratta delle perdite che si manifestano nel nucleo ferromagnetico per isteresi
e per correnti parassite. Facendo riferimento allo schema equivalente semplificato del trasformatore
reale tali perdite si possono esprimere nel modo seguente
142
2
10
1
2
2
10
110
2
1010R
U
R
URIRP Rf
RENDIMENTO. Sia P la potenza attiva erogata a secondario dal trasformatore. Allora il suo
rendimento si scrive
PPP
P
cuf
Si definisce anche un rendimento niminale. Esso è il rendimento che si ha quando al primario viene
fornita una potenza pari alla potenza nominale con fattore di potenza unitario (si ricorda che la
potenza nominale ha significato di potenza apparente e che dunque, in questo caso, essa coincide
con la potenza attiva). Si riscontra che il rendimento nominale aumenta all’aumentare della potenza
nominale del trasformatore.
Si riportano alcuni valori del rendimento nominale di traformatori monofase caratterizzati da
diverse potenze nominali.
POTENZA
NIMINALE (kVA) 1 10 100 1.000 10.000 50.000
RENDIMENTO
NOMINALE 0,93 0,96 0,975 0,985 0,99 0,993
IX) VALORI NOMINALI, DATI DI TARGA
VALORI NOMINALI. I valori nominali sono in genere i valori efficaci delle grandezze elettriche
per le quali si ha il funzionamento ottimale della macchina, con alcune eccezioni. I valori nominali
più importanti sono quelli riportati in questa tabella.
nU1 tensione nominale primaria (V)
nU 2 tensione nominale secondaria (V)
nI1 corrente nominale primaria (A)
nI2 corrente nominale secondaria (A)
nP potenza nominale (VA)
nf frequenza nominale (Hz)
n rapporto di trasformazione
Le tensioni e le correnti si intendono come valori efficaci. Nel caso di macchine trifasi le tensioni
sono quelle concatenate e le correnti sono le correnti di linea. La potenza nominale è la potenza
apparente in entrata a primario. Essa soddisfa la seguente relazione per le macchine monofasi
nnnnn IUIUP 2211
e la seguente relazione per le macchine trifasi
143
nnnnn IUIUP 22113
33
3
33
Si osserva che la potenza in entrata si considera uguale a quella in uscita, come se non si avessero
perdite di potenza nel trasformatore.
La frequenza nominale è quella delle grandezze elettriche della rete a cui viene collegato il
trasformatore. Noi consideriamo esclusivamente i trasformatori che lavorino a frequenza industriale
(50 Hz). Essi sono spesso detti trasformatori di potenza.
DATI DI TARGA. I principali parametri di funzionamento del trasformatore sono detti dati di
targa. Il nome è dovuto al fatto che essi sono riportati su una vera e propria targa montata sullo
stesso trasformatore. Gli elementi riportati sulla targa del trasformatore sono i seguenti.
1) Costruttore, numero di matricola e anno di fabricazione.
2) Marchi di conformità normativa (quali il marchio europeo CE).
3) I valori nominali.
4) %ccu .
5) cccos .
6) Tipo di raffreddamento (si usano sigle come O.N.=olio naturale, A.N.=aria naturale…).
7) Tipo di servizio.
8) Peso.
Riporto una targa paradigmatica.
Officine Elettriche Anonime
Boara Pisani (Padova)
TRASFORMATORE MONOFASE N. 3827
anno 1999 nf 50 Hz
nP 100 kVA %ccu 4%
nU1 10 kV cccos 0,2
nU 2 220 V tipo O.N.A.N.
peso 800 kg servizio continuo
SIMBOLI IMPIANTISTICI PER IL TRASFORMATORE MONOFASE. Il sibolo usato per il
trasformatore monofase negli impianti è molto semplice. Si taratta di due circonferenze
sovrapposte. Nel disegno è rappresentato un trasformatore monofase inserito fra una linea ad alta
tensione ed una linea a bassa tensione. In un caso le due linee sono rappresentata da due fili
nell’altro sono entrambe rappresentate da un unico filo. In quest’ultimo caso si usano due linette
144
parallele per indicare la presenza dei due fili di collegamento del primario del trasformatore con la
linea ad alta tensione e del secondario del trasformatore con la linea a bassa tensione.
X) COLLEGAMENTO DI TRASFORMATORI MONOFASE
PARALLELO DI TRASFORMATORI MONOFASE. In genere è preferibile far servire una
utenza da più trasformatori monofase in parallelo anziché da uno solo. Questo per i motivi seguenti.
1) Un singolo trasformatore va tenuto in servizio continuo.
2) In caso di quasto del singolo trasformatore l’utenza resta sprovvista di elettricità.
3) In caso il carico abbia bisogno, per certi periodi, di potenza molto più bassa di quella nominale
dell’unico trasformatore, allora si avrà trasformazione con basso rendimento.
Si collegano allora più trasformatori in parallelo. Nel caso di due trasformatori monofase si ha il
collegamento illustrato in figura in cui per ciascun trasformatore è usato lo schema equivalente
semplificato (il secondo).
Tra le tensioni e tra le correnti sussistono le relazioni seguenti
222
111
UUU
UUU
ba
ba
222 III ba
CONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO OTTIMALE DI TRASFORMATORI MONOFASE
IN PARALLELO. Per il funzionamento ottimale di due trasformatori collegati in parallelo si
richiede quanto segue.
1) Quando la linea di utilizzazione è a vuoto, cioè con corrente nulla, devono risultare a vuoto anche
i due (o più) trasformatori collegati in parallelo. Se così infatti non fosse si avrebbero delle correnti
circolanti nei due avvolgimenti secondari, cosa che porterebbe a delle dissipazioni di potenza
elettrica in calore a fronte di una potenza nulla ceduta all’utilizzatore.
2) La potenza nominale erogata dal parallelo dei due trasformatori deve essere pari alla somma
delle due potenze nominali dei trasformatori stessi.
145
Vediamo cosa implica la prima condizione. Diciamo che la linea di utilizzazione sia a vuoto.
Imponiamo allora che i due trasformatori monofase in parallelo abbiano anch’essi secondario a
vuoto. Poiché la LKT porge
bcbb
acaa
IZEU
IZEU
2222
2222
l’imposizione dell’annullamento delle correnti a secondario porge a sua volta
ba EE 22
Le tensioni secondarie a vuoto debbono dunque essere uguali, in modulo e fase. Si osservi ora che
bab
b
a
ababa nn
U
E
U
E
U
E
U
EEE
1
2
1
2
1
2
1
222
Dalla prima condizione per il funzionamento ottimale discende dunque che i due trasformatori
debbono avere lo stesso rapporto di trasformazione.
Vediamo ora cosa implica le seconda condizione. La potenza apparente dell’insieme dei due
trasformatori è data da
bababa IIUIIUIIUIUSS 22222222222
Ora noi vogliamo che la potenza nimonale del tarsformatore che si ottiene dal parallelo dei due
trasformatori sia la somma delle potenze nominali dei due trasformatori stessi.
Ebbene, consideriamo a secondario dei due trasformatori delle correnti con valore efficace pari a
quello delle reciproche correnti nominali. Si ha
nbna IIUS 222
Se adesso supponiamo che le due correnti a secondario dei due trasformatori siano in fase fra loro e
che la tensione della linea a secondario abbia valore efficace pari a quello della tensione nominale a
secondario dei due trasformatori, allora abbiamo
nbnanbnnananbnannbnannbnan PPIUIUIIUIIUIIUS 2222222222222
Ebbene, la potenza apparente
nnnbnannbnbnananbnan IUIIUIUIUPPP 222222222
è la potenza nominale del trasformatore costituito dal parallelo dei due trasformatori dati. Si osservi
che si assume come sua corrente nominale a secondario la somma delle correnti nominali a
secondario dei due trasformatori dati. Quindi la seconda condizione impone che le correnti dei due
trasformatori a secondario siano, a potenza nominale, in fase fra loro.
146
Ora si osservi anche che se la linea di utilizzazione è a carico si ha
bcbaca
bcbb
acaa
ba
IZIZ
IZEU
IZEU
EE
2222
2222
2222
22
Se in particolare le correnti a secondario hanno valore efficace pari a quello delle correnti nominali
si ha
nbcbnacabcbaca IZIZIZIZ 22222222
Ricordando poi che le due correnti nominali a secondario dei trasformatori collegati in parallelo
sono in fase fra di loro, allora si ha che gli angoli di cortocircuito sono i medesimi nei due
trasformatori.
Ricordando poi le definizioni di tensioni di cortocircuito a secondario si ha che tali tensioni
coincidono nei due trasformatori.
cbnbcbnacaca UIZIZU 222222
Si osservi ancora che dall’uguaglianza degli angoli di cortocircuito e dalla uguaglianza delle cadute
di tensione a secondario si ha
bcbacabj
cbaj
ca
ccbcca
bcbaca IZIZIeZIeZIZIZ ccbcca
22222222
2222
ovvero le correnti a secondario dei due trasformatori sono sempre in fase fra loro.
Nella seguente tabella riportiamo a sx le due condizioni da noi imposte ai due trasformatori, a dx le
conseguenze che ciascuna di esse comporta in termini di vincoli sulle caratteristiche fisiche dei due
componenti.
CONDIZIONI IMPOSTE CONSEGUENZE
1) 00 222 ba III 1.1) ba nn
2) nbnan PPP
2.1) Le correnti a secondario dei due
trasformatori sono in fase fra loro
2.2) Le tensioni di cortocircuito a secondario
sono uguali fra loro
2.3) Gli angoli di cortocircuito sono uguali fra
loro
147
Si osserva che le consequenze 2.2 e 2.3 si possono riassumere nell’affermare che i triangoli di
cortocircuito dei due trasformatori debbono essere uguali fra loro.
XI) CENNI COSTRUTTIVI
NUCLEO FERROMAGNETICO. La forma del nucleo ferromagnetico è fondamentalmente di
due tipi:
1) il tipo a colonne;
2) il tipo a mantello corazzato.
Nel primo caso si hanno due conolonne unite fra loro da due tratti detti gioghi. Nel primo tipo si ha
una sola colonna, al centro di una sorta di corazza.
In entrambi i casi gli avvolgimenti sono coassiali, con l’avvolgimento di alta tensione all’esterno.
Il nucleo è costituito da lamierini dello spessore di 0,3 e 0,5 mm. Essi risultano disposti
verticalmente, sono isolati reciprocamente e sono tenuti insieme da bulloni passanti.
I giunti possono essere affacciati o intercalati. Il primo tipo è più economico, ma offre una minore
resistenza meccanica e una maggiore riluttanza di traferro.
La sezione della colonna (o delle colonne) può essere quadrata o a gradini. La prima soluzione è più
economica rispettoa alla seconda ma determina una maggiore dispersione di flusso di induzione.
AVVOLGIMENTI. Gli avvolgimenti sono di fil di rame o di alluminio arrotolati in bobine intorno
alle colonne (o alla colonna). I due avvolgimenti sono coassiali e possono avere una delle due
disposizioni seguenti.
148
1) Disposizione concentrica. In questo caso i due avvolgimenti hanno diametro diverso. Si ha
l’avvolgimento di alta tensione avvolto attorno ad un tubo di materiale dielettrico. Dentro questo
tubo se ne ha un secondo, coassiale al primo, il qualle avvolge la colonna e sul quale si avvolge la
bobina di bassa tensione. Questa disposizione, che consente un perfetto isolamento fra i due
avvolgimenti, è preferita per trasformatori nei quali il salto di tensione fra primario e secondario è
molto elevato.
2) Disposizione alternata. In questo caso i due avvolgimenti hanno lo stesso diametro e sono
intercalati fra loro. Pare che in questo caso i due avvolgimenti vengano realizzati attraverso moduli
assemblabili. Naturalmente in questo caso l’isolamento fra i due avvolgimenti e fra gli avvolgimenti
ed il nucleo sarà ottenuto mediante l’isolamento dei fili che costituiscono gli avvolgimenti stessi.
Qusto tipo di avvolgimenti si usa nel caso in cui il salto di tensione fra primario e secondario non
sia molto elevato.
RAFFREDDAMENTO. I trasformatori dissipano calore per via dei tre fenomeni seguenti:
1) produzione di calore per effetto joule negli avvolgimenti;
2) produzione di calore per effetto joule nel nucleo ferromagnetico a causa delle correnti parassite;
3) produzione di calore nel nucleo ferromagnetico per il continuo riorentamento dei domini di
Weiss (perdita per isteresi).
E’ dunque necessario smaltire questo calore, onde evitare il deterioramento degli isolanti degli
avvolgimenti e delle lamelle del nucleo ferromagnetico.
A tale scopo si ricorre alla realizzazione di canali per il passaggio di fluidi refrigeranti tanto tra gli
avvolgimenti che dentro al nucleo.
I trasformatori di piccola potenza sono raffreddati ad aria in ventilazione forzata o naturale.
I trasformatori di potenza più grande sono immersi in olio, il quale, oltre a svolgere la funzione di
fluido di raffreddamento, garantisce anche l’isolamento fra le parti. Il trasformatore immerso in olio
è contenuto in un cassone il quale può essere
1) un cassone liscio;
2) un cassone a pareti alettate (10kVA-100kVA);
3) un cassone co radiatori esterni raffreddati a convezione naturale (50kVA-500kVA);
4) un cassone con scambiatori di calore esterni raffreddati a convezione forzata, ad aria o ad acqua
(oltre i 500kVA).
149
I trasformatori di uso domestico sono immersi invece in particolari resine. Questa soluzione
permette di avere trasformatori che richiedono una manutenzione nulla.
150
CAPITOLO XIII,
TRASFORMATORE TRIFASE E
TRASFORMATORI SPECIALI
I) CENNI COSTRUTTIVI
INTRODUZIONE. Per trasformare un sistema trifase di tensioni e di correnti si possono usare tre
trasformatori monofase distinti, oppure un solo trasformatore trifase, ovvero un dispositivo con tre
avvolgimenti di alta tensione e tre avvolgimenti di bassa tensione, tutti avvolti su di un unico
nucleo.
NUCLEO FERROMAGNETICO. Anche nel caso di trasformatori trifase il nucleo può essere di
due tipi: a colonne o a mantello (detto anche corazzato).
Si deve osservare che nel caso di nucleo a colonne la LKT dei circuiti magnetici ai fasori impone la
condizione
0 CBA
Tale condizione non è invece imposta ai flussi della induzione nel caso di un nucleo corazzato. In
questo caso allora il funzionamento del trafformatore trifase è quello di tre trasformatori monofase.
COLLEGAMNETO DEGLI AVVOLGIMENTI. Indichiamo gli avvolgimenti primari con le tre
lettere maiuscole A,B,C. Gli avvolgimenti secondari li indichiamo rispettivamente a,b,c. Si intende
che A-a sono avvolgimenti coassiali e relativi alla stessa fase. Così B-b e C-c.
Ora i tre avvolgimenti primari possono essere collegati fra loro in diversi modi. Altrettanto dicasi
per i tre avvolgimenti secondari.
Prendiamo in considerazione, per fissare le idee, i tre avvolgimenti primari. Si possono avere i tre
collegamenti qui di seguito elencati.
1) Collegamento a stella. In questo caso i tre morsetti negativi dei tre avvolgimenti sono uniti fra
loro, formando il centro stella. Tale collegamento si indica Y per gli avvolgimenti primari e y per
quelli secondari. Sussistono in questo caso le relazioni seguenti.
151
6
6
6
j
CAgC
j
BCgB
j
ABgA
gAgCCA
gCgBBC
gBgAAB
eUE
eUE
eUE
EEU
EEU
EEU
2) Collegamento a triangolo. In questo caso il morsetto negativo della bobina A è collegato a quello
positivo della bobina B; il morsetto negativo della bobina B è collegato al morsetto positivo della
bobina C; infine il morsetto negativo della bobina C è collegato a quello positivo della bobina A.
Sussistono in questo
caso le relazioni
CAgC
BCgB
ABgA
UE
UE
UE
3) Collegamento a zig-
zag. Le tre bobine sono
divise in due parti
ciascuna. Sia hanno
così sei bobine: due
mezze bobine A, due
mezze bobine B e due
mezze bobine C. Le
prime tre mezze
bobine, una per ogni
avvolgimento, vengono
collegate a triangolo. A
questo punto la prima
mezza bobina A è
messa in antiserie con
la seconda mezza bobina B; la prima mezza bobina B viene messa in antiserie con la seconda mezza
bobina C e la prima mezza bobina C viene messa in antiserie con la seconda mezza bobina A.
Sussistono allora le realzioni seguenti.
222222
222222
222222
gAgBgC
gAgCgBgCCA
gCgAgB
gCgBgAgBBC
gCgBgA
gBgAgCgAAB
EEE
EEEEU
EEE
EEEEU
EEE
EEEEU
SPOSTAMENTO ANGOLARE. Se si alimentano i tre avvolgimenti primari con una terna
simmetrica di tensioni concatenate si ottiene a secondario una terna di tensioni concatenate ruotata
152
di una angolo, multipolo di π/6, rispetto alla terna di tensioni concatenate a primario. Il valore
dell’angolo dipende dal tipo di collegamento adottato per gli avvolgimenti a primario e di quello
utilizzato per gli avvolgimenti a secondari.
Ebbene si definisce spostamento angolare lo sfasamento in ritardo della terna di tensioni a
secondario rispetto alla terna di tensioni a primario.
GRUPPO DI COLLEGAMENTO. Il gruppo di collegamento è pari allo spostamento angolare
diviso π/6. Si trova che il gruppo di collegamento coincide con l’ora indicata, su un quadrante di
orologio analogico, dalla tensione abU , quando ABU è posta sulle dodici.
I gruppi di collegamento possibili sono tutti quelli compresi fra 0 e 11, esclusi i gruppi 3 e 9.
ESEMPIO. COLLEGAMENTO A STELLA DEI PRIMARI E A STELLA DEI
SECONDARI. I primari siano collegati a stella e tale collegamnto sia effettuato anche per i
secondari. In figura i secondari sono gli avvolgimenti posti all’esterno e contrassegnati con lettere
minuscole. I primari sono contrassegnati con lettere maiuscole. Se si ammette che nei tre
accoppiamenti si abbiano coefficienti di trasformazione >1, allora il diagramma fasoriale delle due
terne di tensioni stellate e delle due terne di tensioni concatenate risulta come quello indicato in
figura. è evidente che le due terene di tensioni concatenate sono in fase e dunque lo spostamento
angolare sarà pari a zero. Nullo sarà anche l’indice orario.
ESEMPIO. COLLEGAMENTO A TRIANGOLO DEI PRIMARI E A STELLA DEI
SECONDARI. Si vede come in questo caso lo spostamento angolare sia pari a π/6 e dunque
l’indice orario sia unitario. Quanto vale il rapporto di trasformazione per questo trasformatore?
Detto k tale rapporto di trasformazione e inidicato n quello dei tre accoppiamenti si ha
153
nE
E
U
Uk
E
En
ga
gA
ab
AB
ga
gA
3
1
3
Si osserva che nel trasformatore trifase il rapporto di treasformazione si intende fra le tensioni
concatenate.
II) SCHEMA EQUIVALENTE E PARAMETRI
DEL TRASFORMATORE TRIFASE
SCHEMA EQUIVALENTE. Nel disegnare lo schema elettrico equivalente trifase si adotta per
ogni fase lo schema elettrico equivalente del trasformatore monofase. Questi tre trasformatori
monofase sono poi collegati a stella fra loro, a prescindere da quale sia poi l’effettivo collegamento
dei sei avvolgimenti. Si ottiene pertanto il seguente schema elettrico equivalente.
Se la terna stellata a primario è simmetrica e se il carico a secondario è equilibrato allora è possibile
considerare il trasformatore equivalente monofase. Esso è caratterizzato nel seguente modo.
1) La tensione primaria e secondaria sono pari alle tensioni stellate.
2) Le perdite sono pari ad un terzo delle perdite del trasformatore trifase.
3) La potenza nominale è pari ad un terzo della potenza nominale del trasformatore trifase.
4) La potenza attiva erogata è pari ad un terzo di quella del trasformatore trifase.
In pratica le potenze del trasformatore trifase possono essere espresse in termini dei parametri del
trasformatore monofase nel modo seguente.
2
11
10
2
1
22
3
3
cos3
IRP
R
EP
IEP
ccu
f
DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI. I parametri del trasformatore trifase sono da
intendersi uguali per ciascuna delle sue fasi. Essi sono
154
n
jXRZ
jXRZ ccc
1
1010
10
111
11
La loro determinazione viene fatta per mezzo della prova a vuoto e di cortocircuito analogamente a
quanto visto per il trasformatore monofase.
DATI DI TARGA. Rispetto al caso del trasformatore monofase, la targa di un trasformatore trifase
riporta due dati in più. Essi sono
1) il tipo di collegamento degli avvolgimenti di primario e di quelli di secondario;
2) l’indice orario.
Una tipica targa per un trasformatore trifase è riportata nel seguito.
Elettromeccanica Friulana
Palazo dello Stella (Udine)
TRASFORMATORE TRIFASE N. 5671
anno 1999 nf 50 Hz
collegamento D-y gruppo 5
nP 500 kVA %ccu 4%
nU1 10 kV cccos 0,2
nU 2 400 V tipo O.N.A.N.
peso 1600 kg servizio continuo
SIMBOLI IMPIANTISTICI. Il simbolo impiantistico del trasformatore trifase è lo stesso di
quello monofase tranne per il numero di cavi che da esso escono. Essi possono infatti essere tre o
quattro (in caso di presenza di neutro). Nel caso di schemi unifilari (schemi in cui cioè si usa una
sola line per rappresentare i cavi di una line elettrica, a prescindere dal loro numero effettivo) allora
le line che partono dai due avvolgimenti del trasformatore saranno marcate ciascuna con tre linee
oblique. Per il neutro si aggiungerà una mezza linea obliqua.
155
In figura si ha una linea ad alta tensione a tre cavi ed una linea a bassa tensione a quattro cavi. A sx
i cavi sono tutti rappresentati. A dx invece si usa lo schema unifilare.
PARALLELO DI TRASFORMATORI TRIFASI. Negli impianti trifasi, come in quelli
monofasi, si usa collegare in parallelo i trasformatori che servono una stessa utenza. Nel caso di
trasformatori trifasi le condizioni sui parametri sono le seguenti.
CONDIZIONI IMPOSTE CONSEGUENZE
1) 00 222 ba III 1.1) ba nn
1.2) stesso gruppo orario
2) nbnan PPP
2.1) Le correnti a secondario dei due
trasformatori sono in fase fra loro
2.2) Le tensioni di cortocircuito a secondario
sono uguali fra loro
2.3) Gli angoli di cortocircuito sono uguali fra
loro
Si osserva che, rispetto al caso di trasformatori monofase, qui c’è in più la condizione
dell’appartenenza allo stesso gruppo orario.
III) TRASFORMATORI SPECIALI
INTRODUZIONE. I trasformatori speciali sono tutti quei dispositivi che condividono con il
trasformatore i principi di funzionamento e si caratterizzano per piccole differenze costruttive legate
al particolare utilizzo per il quale sono destinati.
AUTOTRASFORMATORI. Un nucleo ferromagnetico è avvolto da un avvolgimento dal quale
fuoriescono quattro derivazioni, come in figura. Fissati i riferimenti di tensioni, correnti e flusso di
induzione, allora si scrive la legge di Farady-Neumann-Lenz nel modo seguente.
jNU
jNU
22
11
Si trova dunque che
156
1) 111
1
22
1UU
nU
N
NU
avendo posto
12
1
N
Nn
Consideriamo ora il circuito magnetico relativo a questo trasformatore. La LKT ai fasori dei circuiti
magnetici ci permette di affermare che
ININNININN 21212121 0
Se ammettiamo che la reattanza del nucleo ferromagnetico sia trascurabile, ovvero che la
permeabilità magnetica del nucleo sia molto elevata, allora deduciamo che
2)
22
1
212211221212
212212211212
11 I
nI
N
NNIINNININNINNIN
INNINNIINNINNIN
Si ricava anche che
3) 12 InI
Dunque si ha intanto, dalla 1 e dalla 3, che la caretteristica di trasformazione alla porta uno
dell’autotrasformatore ideale è identica a quella del trasformatore ideale monofase, cioè
1/
1
12
12
12
NNn
InI
Un
U
Tuttavia la corrente che transita nelle 2N spire del secondario è, per la 2, data da
22
11 II
nI
e dunque ciò autorizza a realizzare tali spire con sezione minore rispetto a quelle che si dovrebbero
altrimenti adottare, ottenendo così un risparmio di materiale. Si può inoltre preveder di avere
minore dissipazione di calore in tali spire.
Di contro tuttavia si deve osservare che nell’autotrasformatore un quasto nel tratto comune
dell’avvolgimento (per esmpio nel punto P) verifica la pericolosa circostanza di avere a secondario
la medesima tensione che a primario.
Gli autotrasformatori trovano impiego nelle reti di distribuzione della energia elettrica sottoforma di
trasformatori trifasi. Si trovano anche piccoli autotrasformatori impiegati in laboratorio, detti
‘variac’.
157
TRASFORMATORI DI TENSIONE (TV). La misura di tensione (con voltmetro) nel caso in cui
questa grandezza sia elevata, è rischiosa per l’operatore, oltre ad essere spesso problematica per lo
strumento di misura. Allora si usa collegare il voltmetro in serie al secondario di un trasformatore il
cui primario sia collegato in parallelo alla linea di alta tensione di cui si deve valutare la tensione
concatenata. Se il trasformatore presenta un rapporto di trasformazione >1, la tensione a secondario
sarà minore di quella a primario e dalla sua misura, che non presenta problemi, si risalirà al valore
efficace della tensione a primario.
Se il voltmetro ha comportamento prossimo a quello ideale allora la corrente che in esso transita è
prossima a zero e dunque il valore efficace di tensione che esso porge è
112202
11U
nE
nEUU
Si rileva che in genere si collega a terra il morsetto negativo del secondario del trasformatore per
evitare che il secondario assuma tensione elevata rispetto a terra costiuendo così una fonte di
pericolo per l’operatore.
TRASFORMATORI DI CORRENTE (TA). La misura di corrente mediante amperometro nel
caso di elevati valori della corrente stessa, pone dei problemi di sicurezza per l’operatore, oltre che
dei problemi per lo strumento. Si ricorre allora a trasformatori con rapporto di trasformazione
inferiore all’unità, al cui secondario viene collegato l’amperometro.
Il valore efficace di corrente che misura il nostro amperometro è dato da
158
11222 nInIII cccc
Si rileva la presenza di un interruttore (S) nella inserzione dell’amperometro. Esso serve per evitare
che il secondario del trasformatore sia mai a vuoto (in questo caso a secondario, essere il rapporto di
trasformazione minore di uno) si avrebbero tensioni altissime, dunque pericolose. Pertanto, prima di
rimuovere lo strumento, si chiude S, mettendo in corto il secondario.
Si rileva inoltre che anche qui il secondario del trasformatore, come nel TV, è collegato a terra. Si
tratta di un espediente per evitare alte differenze di potenziale fra il secnodario e la terra, pericolose
per l’operatore.
159
CAPITOLO XIV,
MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI
I) PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ IN FORMA DIFFERENZIALE. All’inizio del
capitolo precedente abbiamo ricordato la legge di Faraday-Neumann-Lenz. Ricordiamo ora la sua
espressione differenziale (la IV equazione di Maxwell) la quale si scrive
PBPvrott
PBPErot i
dove Pv
rappresenta la velocità del supporto materiale delle cariche, del circuito nel quale
scorrono.
DEFINIZIONE,
FORZA ELETTROMOTRICE TRASFORMATORICA. Si dice trasformatorico il campo
elettrico indotto che si realizza quando non vi siano circuiti in moto. In basa alla legge di Faraday-
Neumann-Lenz esso si scrive
t
PBPErot i
E’ su questa legge che si basa, come visto, il funzionamento dei trasformatori, macchine elettriche
in cui non si hanno parti in moto relativo.
DEFINIZIONE,
FORZA ELETTROMOTRICE MOZIONALE. Si dice mozionale il campo elettrico indotto che
si realizza quando si ha un circuito in moto all’interno di una induzione magnetica costante nel
tempo. In base alla legge di Faraday-Neumann-Lenz esso si scrive
PBPvPEPBPvrotPErot ii
Si vede come questo campo elettrico non è altro che il campo di forze specifiche (cioè su unità di
carica) determinato dalla forza di Lorentz.
Nei motori e nei generatori questo campo di forze ha una notevole importanza poiché in tali
macchine elettriche si hanno proprio circuiti in moto.
DEFINIZIONE,
MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI. Le macchine elettriche rotanti realizzano la
conversione elettromeccanica sfruttando l’interazione che si manifesta quando una induzione
magnetica ed un conduttore percorso da corrente sono in moto relativo fra di loro.
160
DEFINIZIONE,
FUNZIONAMENTO DA GENERATORE. Una macchina elettrica rotante si dice funzionare da
generatore nel caso in cui converta potenza meccanica in potenza elettrica.
DEFINIZIONE,
FUNZIONAMENTO DA MOTORE. Una macchina elettrica rotante si dice funzionare da motore
nel caso in cui converta potenza elettrica in potenza meccanica.
OSSERVAZIONE,
VERSATILITA’ DELLE MACCHINE ELETTRICHE ROTANTI. In genere una macchina
elettrica rotante può funzionare sia da motore che da generatore.
DEFINIZIONE,
ROTORE E STATORE. Le macchine elettriche rotanti sono costituite da due parti:
1)il rotore è la parte mobile, la quale è vincolata a ruotare su un albero;
2)lo statore è la parte fissa.
SPIRA ROTANTE. Una corrente continua, detta corrente di eccitazione, attraversa delle bobine,
dette bobine di eccitazione. Tali bobine costituiscono l’induttore (in pratica l’induttore può essere
realizzato anche con un magnete permanente). L’induttore consta di due poli fra i quali transita un
flusso di induzione Ф, detto flusso polare.
L’interazione fra la rotazione della spira e il flusso polare determina sulla spira, in base alla formula
della forza di Lorentz (o, se si vuole, alla quarta equazione di Maxwell) un campo elettrico indotto
esprimibile come
BvE i
In questo caso lo statore è costituito dall’induttore e il rotore dalla spira.
INDUZIONE ROTANTE. Le bobine di eccitazione ruotano attorno all’albero mentre la spira è
mantenuta ferma. Anche in questo caso la velocità relativa fra la spira e il flusso polare determinano
un campo elettrico indotto
BvE i
Lo statore è costituito in questo caso dalla spira, mentre il rotore è costituito dall’induttore.
161
FUNZIONAMENTO DA GENERATORE. Entrambe le disposizioni sopra illustrate possono
essere ricondotte allo schema qui indicato, dove la spira è fissa e dove in ciascun suo punto è
applicato un vettore di induzione magnetica il quale ruota con velocità angolare ω.
I conduttori paralleli all’asse di rotazione sono detti conduttori di indotto mentre i due
collegamenti fra di essi sono
detti collegamenti di testata
(nei quali la forza
elettromotrice indotta è
nulla).
Quanto vale il campo
elettrico indotto in ciascun
conduttore di indotto?
Ebbene si osserva intanto che
l’induzione magnetica si
scrive
BB
mentre la velocità sul
conduttore dx si scrive
cossin vvv
Dunque il campo elettrico
indotto in ciascun punto del
conduttore a dx vale
kvB
BvBvBvBvvBvEi
cos
coscossincossin
Il campo elettrico indotto invece in ciascun punto del conduttore a sx vale
kvB
BvBvBvBvvBvEi
cos
coscossincossin
La forza elettromotrice lungo ciascun conduttore vale
coscoscos000
vBldzkvBdzkvBdzE
lll
i
Dunque, osservando che i due conduttori di indotto danno luogo a f.e.m. che si sommano e
osservato che
162
Rv
tt
si desume che la f.em. indotta nella spira
vale
tRBlmef i cos2...
ed è detta f.e.m. di spira. Essa può esprimersi anche in funzione del valore del flusso polare Ф. Si
ha infatti
tmefRlB i cos...2
In genere interessa il valore medio che il valore assoluto della f.e.m. di spira assume. Tale valore è
dato da
2
0
2
0
2
00
sin2
cos2
cos2
cos1
... tdtdttdtdttT
mef
T
i
fTT
ttd
44
22
2
2sin
2sin
2sin
220
2
0
dove si è introdotta la frequenza di rotazione della spira (o della induzione magnetica, che è lo
stesso). Dunque il valore medio della f.e.m. indotta in ciascuno dei due conduttori della spira è
fEcm 2
e dunque, introducendo, il fattore di forma, il valore efficace della f.e.m. di ciascun conduttore della
spira è
ffkEkE fcfc 2
2
163
La f.e.m. di spira dà luogo ad una corrente attraverso la spira, detta corrente di indotto. La corrente
di indotto è causa di una sollecitazione agente sulla spira, sollecitazione la quale può esser valutata
(ancora una volta) attraverso la legge della forza di Lorentz. Considerando il conduttore di indotto a
dx si ha
BA
iB
JBvBkvPBPvE qqqr
Dunque la forza che agisce sul conduttore di indotto a dx vale
liBB
A
ilAF r
dove A è la sezione della spira. Ma una forza uguale ed opposta agisce sull’altro conduttore di
indotto. Sui conduttori di testata poi agiscono due sollecitazioni che hanno sollecitazione
equivalente nulla. In definitiva dunque sulla spira agisce una sollecitazione equivalente ad una
coppia, la coppia di momento
ktliBRC r cos2
la quale assorbe una potenza meccanica
tliBRCP rm cos2
La potenza elettrica uscente invece dalla spira, convenzionata da generatore, è
tRBlimeifP ig cos2...
Si sottolinea che la potenza elettrica generata è pari alla potenza elettrica assorbita.
FUNZIONAMENTO DA MOTORE. In questo caso la corrente che attraversa la spira è fornita
dall’esterno. Si fornisce cioè potenza elettrica. Questa fa sorgere la coppia agente sulla spira la
quale, a sua volta mette in moto la spira generando potenza meccanica. Ad ogni modo il valore
della potenza meccanica e della potenza elettrica sono coincidenti con quelli trovati nel precedente
caso.
II) STRUTTURA DELLE
MACCHINE ROTANTI
MATERIALI. Il rotore e lo statore sono costruiti
con ferro ad alta permeabilità per massimizzare il
flusso di induzione. Il traferro poi è realizzato il
più sottile possibile in modo che, data anche la
presenza di aria nel traferro (bassissima
permeabilità), la induzione non vada dispersa
(vedi a tal proposito il capitolo VII, paragrafo
secondo, dei tuoi appunti di Elettromagnetismo).
Le parti del circuito magnetico le quali vanno
164
soggette ad induzione periodica sono realizzate in lamierini simili a quelli usati nei trasformatori
(spessore di 0,3-0,5 mm con 2-3% di silicio, isolati reciprocamente). I lamierini sono affastellati
longidutinalmente e tenuti insieme da bulloni assiali. Il ricorso ai lamierini è giustificato dalla
necessità di ridurre le perdite per correnti parassite.
Le altre parti del nucleo ferromagnetico sono realizzate in ferro massiccio.
PARAMETRI GEOMETRICI. I parametri
considerati nelle macchine elettriche rotanti sono
1) la lunghezza di statore e rotore, designata l;
2) il raggio al traferro, raggio medio nel caso di
poli salienti, designato tr ;
3) il numero di coppie polari, indicato p;
4) il semipasso polarep
rt
2
2 il quale indica
l’arco, della circonferenza al traferro, occupato
da un polo;
5) il passo polare p
rt
22 il quale indica
l’arco, della circonferenza al traferro, occupato
da due poli.
STRUTTURA DELL’INDUTTORE. L’induttore può essere alloggiato nello statore, nel qual
caso l’indotto sarà nel rotore. Se invece l’induttore è nel rotore, allora l’indotto è nello statore.
L’induttore è costituito da avvolgimenti (o bobine) di eccitazione, oppure da magneti permanenti.
Le bobine (o, eventualmente, i magneti permanenti) sono organizzati in poli. Poli adiacenti
determinano flussi polari aventi verso opposto. I poli sono presenti sempre in numero pari e dunque
possono essere raccolti in coppie polari. Il numero di coppie polari si indica p.
In figura (a sx) abbiamo un rotore induttore con due coppie polari. Si rileva che questo induttore è
del tipo detto a poli salienti. Nella successiva figura si ha invece uno statore induttore, sempre a
poli salienti. Il numero di coppie polari è sempre due e dunque p=4. In entrambe le figure gli
induttori sono realizzati in modo da attribuire verso alterno al flusso polare.
Si consideri che esistono anche induttori lisci o isotropi i quali sono tronchi di cilindro pieni (se
rotori) o tronchi di cilindro cavi (se statori). Vedi in proposito il secondo volume del libro di testo a
pag. 122. Le bobine di eccitazione nel caso di induttori lisci sono stipate in cave di induttore.
165
STRUTTURA DELL’INDOTTO. L’indotto può trovarsi, come visto, sul rotore o sullo statore.
Esso è costituto da cave ricavate sulla superficie del rotore o dello statore prossima al traferro.
Queste scanalature, parallele all’asse della macchina, sono dette cave di indotto.
CONTATTI STRISCIANTI. Come
vengono alimentati gli avvolgimenti
(d’induttore o di indotto) presenti sul
rotore? Si ricorre al dispositivo illustrato in
figura. Si hanno dua anelli solidali
all’albero. A ciascun anello è collegato un
terminale degli avvolgimenti del rotore. Gli
anelli sono, nelle parte più esterna, fatti di
materiale conduttore. Sugli anelli sono
premute delle spazzole realizzate di grafite
(materiale conduttore) che sono fisse e
strisciano dunque sugli anelli rotanti.
Attraverso le spazzole dunque sono
alimentati gli avvolgimenti del rotore.
III) POTENZE E PERDITE NELLE
MACCHINE ROTANTI
POTENZE E PERDITE. Distinguiamo
1)la potenza meccanica scambiata all’albero meccP ;
2)la potenza elettrica attiva scambiata ai morsetti P;
3)la potenza elettrica attiva convertita gP ;
4)la potenza meccanica convertita mP .
Nel caso di macchine elettriche rotanti alimentate a
corrente alternata queste potenze sono variabili. Se ne
considerano allora i valori medi sul periodo. Si osserva
che mg PP sempre, mentre risulta mmecc PP e gPP a
causa di perdite di vario tipo. Le perdite di potenza sono
classificabili nel modo seguente
1)perdite elettriche:
a) iCuP : perdite per effetto joule negli
avvolgimenti dell’indotto;
b) eCuP : perdite per effetto joule negli
avvolgimenti dell’induttore;
c) FeP : perdite per correnti parassite e per isteresi
nel materiale ferromagnetico;
2)perdite meccaniche:
a) attrP : perdite per attrito nei cuscinetti e tra
spazzole e dischi;
166
b) venP : perdite meccaniche per ventilazione (?)
BILANCIO DELLE POTENZE PER IL MOTORE. Al motore è fornita potenza elettrica P ed
esso restituisce potenza meccanica meccP . I dettagli di questa conversione, con tanto di perdite
elettriche e meccaniche, sono forniti nella illustrazione.
Procediamo allora al calcolo del rendimento del motore. Si ha
attrvenFeeCuiCumecc
meccmecc
PPPPPP
P
P
P
BILANCIO DELLE POTENZE PER IL GENERATORE. In questo caso si fornisce potenza
meccanica, si hanno le perdite meccaniche, si verifica la conversione in energia elettrica, si hanno le
perdite elettriche, ed esce l’energia elettrica P. Il rendimento è dato da
attrvenFeeCuiCumecc PPPPPP
P
P
P
167
CAPITOLO XV,
MACCHINE SINCRONE
I) GENERALITA’
DEFINIZIONE,
MACCHINA ELETTRICA SINCRONA. Si definisce macchina elettrica sincrona un particolare
tipo di macchina elettrica rotante in cui la velocità di rotazione è rigidamente legata alla frequenza
delle grandezze elettriche ai morsetti. In genere nelle macchine sincrone l’induttore è situato nel
rotore.
DEFINIZIONE,
ALTERNATORE. L’alternatore è una macchina elettrica sincrona in funzione di generatore. Non
esistono differenze costruttive fra una macchina elettrica sincrona che funzioni da generatore ed una
che funzioni da motore. Ciascuna macchina sincrona può svolgere sia l’una che l’altra funzione.
Si tenga presenta che la stragrande maggioranza della energia elettrica che si produce nel mondo è
prodotta da macchine elettriche sincrone.
DEFINIZIONE,
MOTORE SINCRONO. Quando una macchina elettrica sincrona svolge la funzione di motore si
parla di motore sincrono.
DEFINIZIONE,
CORONA. Nel caso di rotore a poli salienti si ha una
corona la quale è la struttura centrale del rotore ed ha
forma di un poligono regolare di tanti lati quanti sono i
poli. Su ciascun lato della corona vi sono delle
scanalature in cui sono inseriti i poli (vedi figura).
DEFINIZIONE,
SCARPA E NUCLEO. Ciascun polo saliente del
rotore presenta un nucleo, ettorno al quale sono avvolte
le bobine di eccitazione, e una scarpa la quale
costituisce la parte più esterna del polo, quella più
vicina allo statore.
La corrente di eccitazione è una corrente continua eI fornita agli avvolgimenti di eccitazione del
rotore (induttore) tramite contatti striscianti costituiti da due anelli, ciascuno dei quali in contatto
con una spazzola.
Il rotore può anche essere liscio (isotropo) nel qual caso le bobine di eccitazione sono alloggiate in
cave ricavate superficialmente sul rotore stesso.
DEFINIZIONE,
BRUSHLESS. In alcuni casi possono aversi macchine sincrone il cui induttore è costruito con
magneti permanenti. Allora, non essendo necessarie bobine di eccitazione, non vi saranno nemmeno
contatti striscianti e dunque spazzole. Queste macchine, per questo motivo, sono dette brushless.
168
Lo statore (indotto) è una corona cilindrica costruita in materiale ferromagnetico lamellato. Infatti
lo statore è sede di una induzione variabile (che ruota solidalmente con il rotore induttore) e dunque
è sede di correnti parassite. Lo statore è sede di cave longitudinali, parallele all’asse della macchina,
che alloggiano i conduttori di indotto. I conduttori di indotto sono collegati fra loro per formare le
matasse di indotto le quali, unite fra loro, costituiscono uno o tre avvolgimenti di indotto, a
seconda che la macchina sia collegata ad una rete sinusoidale monofase o trifase.
II) VALORI NOMINALI
I valori nominali sono quei valori delle grandezze elettriche alle quali corrisponde il funzionamento
ottimale della macchina. I principali valori nominali delle macchine sincrone sono i seguenti.
nP potenza nominale (VA oppure W)
nU tensione nominale di indotto (V)
nI corrente nominale di indotto (A)
nf frequenza nominale (Hz)
eI corrente di eccitazione (A)
eU tensione di eccitazione (V)
nn velocità nominale di rotazione (giri/minuto)
nC coppia nominale dell’albero (Nm)
Si deve osservare che nel caso di alternatori la potenza nominale indica una potenza apparente e
dunque la sua unità di misura è il VA. Nel caso invece di motori sincroni la potenza nominale sarà
la potenza fornita all’albero e la sua unità di misura sarà il W.
Per gli alternatori monofasi si ha
nnn IUP
Per gli alternatori trifasi si ha
nnn IUP 3
Per i motori sincroni si ha
nnn nCP60
2
II) F.E.M. DELLA MACCHINA SINCRONA TRIFASE
In questo paragrafo si farà riferimento ad una macchina sincrona avente le seguenti caratteristiche:
1)alternatore;
2)trifase;
3)induttore nel rotore;
4)induttore a poli salienti;
5)due coppie polari (p=2).
169
INDUZIONE MAGNETICA AL TRAFERRO. Le correnti nell’indotto siano nulle mentre
l’induttore sia alimentato da una corrente di eccitazione eI . Ciascuna bobina di eccitazione (ogni
polo ha una bobina avvolta attorno al nucleo del polo stesso) abbia eN spire. Allora ad ogni polo si
associa una f.m.m. pari a
ee NImmf ...
ma, essendo, come si dice, le bobine collegate in antiserie, le forze magneto motrici avranno verso
alterno. Si realizza allora il circuito magnetico equivalente indicato in figura. Si distinguono le
riluttanze del traferro, del rotore e dello statore, oltre alle f.m.m..
Consideriamo ora una maglia di tale circuito, quella superiore. La LKT per essa si scrive
trsee IN 22
Si tenga ora presente che le riluttanze relative al passaggio della induzione magnetica nel rotore e
nello statore sono molto piccole rispetto a quella del traferro. E’ lecito allora scrivere
r
eer
r
eer
r
ee
r
eearia
t
eeteetee
d
INB
d
SINSB
d
SIN
d
SININININ
00
022
dove rd è lo spessore del traferro in corrispondenza della coordinata angolare r indicata in
figura. Il valore di induzione calcolato è quello della componenete radiale il cui andamento dunque
dipende dallo spessore del traferro. Ora si tenga presente che il profilo del traferro è disegnato in
maniera tale da fare si che la funzione
r
eer
d
INB
0
170
sia con buona approssimazione una sinusoide
esprimibile come
rMr pBB sin
la quale assume valore massimo (negativo o
positivo) in corrispondenza degli assi di simmetria
dei poli (assi polari) e si annulla in corrispondenza
degli assi mediani fra due poli consecutivi (assi
interpolari).
Anche nel caso di rotore induttore liscio si ha che la
componente radiale della induzione è una sinusoide,
sebbene in questo caso lo spessore del traferro
rimanga costante. Ciò è dovuto al fatto che in questo
caso a variare, nella formula
d
INB ee
0
è il numero di spire concatenate al variare della coordinata angolare. Si ha dunque
rMere
r pBd
INB
sin0
F.E.M. DI UN CONDUTTORE DI INDOTTO. Nelle
cave dello statore sono disposti, come sappiamo, i
conduttori di indotto. Essi sono dei fili stesi
parallelamente all’asse della macchina, per tutta la sua
lunghezza. Se il rotore ruota con velocità angolare
costante ω, il campo di induzione prodotto dalle bobine
di eccitazione in esso contenute ruoterà solidalmente con
esso. Si avrà allora un moto relativo tra il campo di
induzione e i conduttori di indotto, ciò che comporta
l’insorgere, nei conduttori di indotto stessi, di un campo
elettrico indotto.
In figura abbiamo proprio un conduttore di indotto, uno dei conduttori inseriti nelle cave dello
statore. Se consideriamo fisso il rotore allora i conduttori di indotto ruotano attorno all’asse della
macchina con velocità periferica
trrv
dove si è introdotto il raggio medio al traferro. Dunque il campo elettrico indotto nel conduttore di
indotto è
BvEi
e la f.e.m. che si determina vale
171
rMrMtrtr pEpBrlBrlmef sinsin...
Adesso si consideri la figura a dx dove sono presenti due sistemi di riferimento dei quali uno, il
sistema Oxy, è solidale al rotore (e al campo di induzione), l’altro, il sistema Oξη, è solidale allo
statore. Si hanno allora i tre angoli indicati in figura i quali stanno nella relazione seguente
trsr
Dunque si ha
tppEmef rsM sin...
Ora si considerino le seguenti due
definizioni.
elettrico
angolop s
elettrica
angolare
velocità
p r
L’angolo elettrico vale 2 in corrispondenza di quell’angolo effettivo per il quale si realizza un
periodo completo della induzione. Introdotte queste grandezze si ha
tEtmef cM sin,...
Si osserva che la prima variabile, l’angolo elettrico, specifica il conduttore di indotto che si sta
considerando, la seconda, il tempo, specifica la posizione della induzione rispetto a quel conduttore,
ovvero il valore della induzione. Fissato un qualunque conduttore di indotto, l’induzione varia
sinusoidalmente nel tempo e dunque la f.em. di quel conduttore varia anch’essa sinusoidalmente nel
tempo.
Volendo ricavare il valore efficace della forza elettromotrice dei conduttori di indotto si ha
22222
2
24
2
2222
fflB
plB
pr
p
pBlrBlrvlBEE m
rmt
mtrmtrMMc
c
dove si è messo in evidenza il flusso polare
lBp
rlB mtm2
2
e la frequenza della forza elettromotrice (che non è uguale a quella di rotazione), data da
pfp
f rr
2
172
Dunque le oscillazioni della f.e.m. di un conduttore di indotto, al secondo, è p volte il numero di
giri, al secondo, del rotore.
Si osservi che il valore della forza elettromotrice di un conduttore di indotto qui trovato è uguale a
quello trovato nel caso generico e semplice studiato nel precedente capitolo.
FREQUENZA DELLA F.E.M. E VELOCITA’ DI ROTAZIONE DEL ROTORE. Intanto la
velocità di rotazione del rotore di una macchina sincrona non si esprime in radianti al secondo,
bensì in giri al minuto. Dunque la velocità si scrive
2
60rn
Allora il legame tra velocità (in giri al minuto) e frequenza delle f.e.m. dei conduttori di indotto si
scrive
p
f
ppn r 601
602
Siccome la frequenza è imposta e vale 50Hz, allora la velocità di rotazione del rotore è funzione
solo del numero p di coppie polari, essendo
ppn
30006050
Sono qui tabulate le velocità di macchine sincrone con frequenza di f.e.m. di indotto di 50 Hz, per
valori diversi del numero di coppie polari.
p
(numero
coppie polari)
1 2 3 4 5
n
(giri/minuto) 3000 1500 1000 750 600
Le macchine più veloci sono dunque quelle con poche coppie polari. Questo induce a preferire per
esse rotori lisci monoblocco e di piccolo diametro.
F.E.M. DELLE MATASSE DI INDOTTO. Ora che conosciamo la f.e.m. di un conduttore di
indotto ci proponiamo di valutare la f.e.m. complessivamente erogata dall’ndotto. A tale scopo
riferiamoci al nostro alternatore quadripolare e fissiamo i seguenti parametri:
1) numero di coppie polari 2p ;
2) numero di cave di indotto per polo 6tq ;
3) numero di conduttori per cava di indotto 2cN ;
Allora le f.e.m. dei conduttori di indotto relativi ad un passo polare costituiscono un sistema a 12
fasi simmetrico. Ci proponiamo ora di
1) collegare i conduttori di indotto di un passo polare (12 cave complessive, per un totale di 24
conduttori) in modo da avere un sistema trifase simmetrico;
173
2) ottenere lo stesso sistema trifase simmetrico dalle restanti 12 cave (altri 24 conduttori di indotto);
3) collegare in serie i due sistemi trifase simmetrici ottenuti in modo da avere un unico sistema di
forze elettromotrici trifase;
4) collegare a stella il sistema trifase ottenuto.
Le forze elettromotrici relative alle dodici cave di un passo polare sono, facendo riferimento alla
figura, date da
242sin
sin... 11
tE
ptEmef
M
sM
1224
2sin... 2
tEmef M
121224
2sin... 3
tEmef M
…
12
11
242sin... 12
tEmef M
I relativi fasori sono dunque dodici fasori sfasati di π/6 fra loro e con il successivo in ritrado sul
precedente. Si ricorda che ciascun fasore si riferisce ad una cava e dunque a due conduttori di
indotto. Si ha il diagramma fasoriale indicato in figura.
Colleghiamo ora un conduttore della cava 1 con un conduttore della cava 7, che colleghiamo a sua
volta col secondo conduttore della cava 1, il quale ancora viene collegato con il secondo conduttore
della cava 7. Stesso lavoro facciamo tra la cava 2 e la cava 8, tra la cava 3 e la cava 9, tra la cava 4 e
la cava 10, tra la cava 5 e la cava 11, tra la cava 6 e la cava 12. Si ottengono così le 6 forze
elettromotrici di fasori
11111717171 4EEEEEEEEEE
22222828282 4EEEEEEEEEE
939 4EE
10410 4EE
5115 4EE
6126 4EE
174
il cui diagramma fasoriale è raffigurato a dx. Adesso procediamo collegando fra loro le cave 1,7 alle
cave 2,8. Colleghiamo poi le cave 3,4 alle cave 9,10. Poi colleghiamo le cave 5,6 alle cave 11,12.
Abbiamo cosi la terna di fasori
4310493
65126115
218271
4
4
4
EEEEE
EEEEE
EEEEE
C
B
A
La terna fasoriale così ottenuta è evidenziata in figura. Trattasi di una terna simmetrica. Gli stessi
collegamenti vengono effettuati nella restante coppia polare ottenendo la stessa terna simmetrica.
Le due terne vanno quindi sommate in serie ottenendo in fine un’unica terna di tensioni trifase
simmetriche.
Si riportano i collegamenti dei conduttori di indotto sullo statore. Per chiarezza di lettura i
conduttori che vengono a costituire le tre fasi sono riportati in tre disegni distinti. I tre poli negativi
vanno connessi fra loro dando luogo al centro stella.
Il valore efficace della tensione stellata è
12cos
216
12cos16
12cos22
12cos222
fEEEE ccc
In generale si ha
175
12cos2
12cos
12cos
mccccmccm NNpENENNENpE
dove si è introdotto il numero delle matasse mN (si intende per matassa il collegamento dei 4
conduttori di due cave). Evidenziando anche il fattore di forma 22
fk si scrive
12cos
222
12cos2
fmccmcc kNNpENNpEE
Se adesso introduciamo iN , numero di conduttori per avvolgimento (intendiamo per avvolgimento
i conduttori di una fase di una sola coppia polare), allora si ha
fkpNfkpNEpkNE fificfi
12cos2
12cos
2
22
12cos
22
essendo mci NNN 2 . Introducendo poi il fattore di avvolgimento
12cos
ak
si ottiene infine
fkkpNE afi 2
Il fattore di avvolgimento, che qui vale 0,966, dipende dal numero di cave per polo. Tuttavia,
qualunque sia tale numero, la tensione stellata che si ottiene alla fine è sempre esprimibile come
sopra. Per esempio, se non sbaglio, in caso di 12 cave per polo, si trova
fkNpNNNpEE fmimcc
224cos
12cos
22
24cos
12cos2
e dunque
fkkNpNfkNpNE afmifmi
224cos
12cos
22
con
958,024
cos12
cos
ak
176
III) FUNZIONAMENTO A VUOTO
CARATTERISTICA A VUOTO. Si parla di funzionamento a vuoto quando i due morsetti
dell’indotto non sono chiusi su un carico. In questo caso la corrente nell’indotto vale zero. Allora
l’induzione della macchina è semplicemente quella generata dall’induttore. Allora il valore efficace
della tensione indotta in ciascuna fase dell’indotto vale
6cos
240
fNpE ci
Essa costituisce una funzione del flusso di induzione, il quale è a sua volta una funzione della
corrente di eccitazione, se la frequenza è imposta. In genere si considera la funzione
ei IFU 0
dove 00 3 ii EU la quale ha tipicamente l’andamento qui riportato. Tale curva è definita
caratteristica a vuoto della macchina. Si devono fare su di essa due osservazioni.
1)Si vede che inizialmente l’aumento della corrente di eccitazione produce un innalzamento
proporzionale del valore efficace della tensione concatenata fra i morsetti di indotto. Da un certo
punto in poi invece tale incremento non è più proporzionale. Ciò è dovuto al fenomeno di
saturazione nel nucleo ferromagnetico della macchina. Si osserva che la tensione nominale è
assunta pari al valore della tensione concatenata poco dopo l’abbandono dell’andamento lineare.
2)Se la macchina è stata usata più di una volta, allora il suo nucleo ferromagnetico presenterà un
magnetismo proprio anche a corrente di eccitazione nulla. Tale magnetismo residuo farà si che fra i
morsetti di indotto sia presente, anche a corrente di eccitazione nulla, una tensione residua. Questo è
evidenziato dalla curva della caratteristica a vuoto, la quale non inizia dall’origine degli assi.
III) FUNZIONAMENTO A CARICO
CORRENTI DI INDOTTO. Abbiamo visto che ai morsetti del nostro alternatore abbiamo una
terna simmetrica di tensioni stellate. Precisamente tali tensioni sono
3
4sin2
3
2sin2
sin2
00
00
00
tEte
tEte
tEte
C
B
A
con
6cos
2160
fE
Ora si connetta l’alternatore ad una rete trifase. Si ha allora che lungo i tre avvolgimenti dello
statore scorre la terna di correnti
177
0
0
0
3
4sin2
3
2sin2
sin2
tIti
tIti
tIti
C
B
A
Riporto la distribuzione delle correnti ad istante fissato t=0, lungo lo statore rettificato. In questa
rappresentazione sono indicate le dodici cave del nostro motore modello. Per ciascuna cava non
sono distinti però i due conduttori. Comunque la croce nella cava indica che la corrente entra,
mentre il punto indica che la corrente esce. Si vede come le cave abbiano a coppie la stessa
corrente. E’ rappresentato tutto lo statore. Si sottolinea che questa distribuzione di correnti ruota
solidalemnte al rotore, ovvero alla induzione della corrente di eccitazione. Questo perché la
pulsazione delle correnti è ω. Questo vuol dire che il periodo delle correnti è T=2π/ω. Ciò vuol dire
che in tale tempo lo stesso valore di corrente è passato dalla cava uno di una coppia polare alla cava
uno di quella successiva, facendo così mezzo giro di statore. Ma allora la velocità angolare di
rotazione della distribuzione di corrente vale
rr p
T
22
che è quella del rotore.
INDUZIONE DELLE CORRENTI DI INDOTTO. Si è visto che l’induzione dell’induttore,
essendo mobile rispetto allo statore, determina nei suoi conduttori dell f.e.m.. Ora si deve
considerare che l’induzione prodotta dalle correnti di indotto è variabile nel tempo (perché tali sono
le correnti). Dunque anche questa induzione darà luogo a f.e.m. nei conduttori di indotto.
La terna di f.e.m. determinata dalla induzione prodotta dalle correnti di indotto prende il nome di
reazione di indotto. Per studiare meglio l’interazione fra correnti di indotto, reazione di indotto, e
induzione al traferro, conviene distinguere alcuni casi.
1) LA TERNA DELLE CORRENTI DI INDOTTO E’ IN FASE CON LA TERNA DI F.E.M.
DI INDOTTO. Disegno un passo polare (due poli) riportando sulle cave i riferimenti di corrente.
Sullo statore sono riportati i riferimenti di tensione. Nelle cave sono indicati con punto e croce i
versi effettivi delle correnti (versi di moto delle cariche positive) che si suppongono in fase con le
178
forze elettromotrici dei conduttori di cava. L’andamento della forza elettromotrice di tali conduttori
è riportato in basso, sotto il rotore ed è indicato cee . Tale andamento è legato, attraverso la formula
della forza di Lorentz, al campo di induzione dovuto dalla corrente di eccitazione ( eB ). La corrente
di eccitazione è indicata poi sui due poli di statore rettificato riportati in figura.
L’andamento della induzione magnetica dovuta alle correnti di indotto ( iB ) è riportato in grigio
sovrapposto a quello della induzione dovuta alla corrente di eccitazione. L’andamento della forza
elettromotrice da esso generata nei conduttori di indotto è riportato in grigio sovrapposto a quello
della forza elettromotrice dovuta alla corrente di eccitazione.
Ecco riassunto il significato dei simboli:
eB è il campo di induzione prodotto dalla corrente di eccitazione;
iB è il campo di induzione prodotto dalle correnti di indotto;
cee è la f.e.m. nei conduttori di indotto dovuta a eB ;
cie è la f.e.m. nei conduttori di indotto dovuta a iB .
Ricaviamo ora l’induzione totale al traferro.
rMrMrM
rMrMreMriMrerir
pBpBpB
pBpBpBpBBBB
sinsincoscossin
sincoscossinsincos
Si è posto
eM
iM
eMiMM
MeM
MiM
B
Btn
BBB
BB
BB
22
cos
sin
Si avrà dunque anche
rMrcercirc pEeee sin
Questo ci fa affermare che la nuova terna di tensioni stellate ai morsetti dell’alternatore è in ritardo
di un angolo α rispetto alla terna di tensioni stellate a vuoto, rispetto alla coordinata angolare r .
Per quanto riguarda poi il nuovo valore efficace della tensione delle tre fasi si che la formula
179
6cos
216 00
fE
può essere scritta
6cos
216
fE
In termini fasoriali dovrebbe dunque aversi il
diagramma indicato in figura.
2) LA TERNA DELLE CORRENTI DI INDOTTO E’ IN QUADRATURA IN ANTICIPO
RISPETTO LA TERNA DI F.E.M. DI INDOTTO. In questo caso l’induzione magnetica che si
deve alle correnti di indotto amplifica quella delle correnti di eccitazione. Amplificate risultano
dunque anche le f.e.m.. Nella figura seguente sono riportati gli andamenti delle principali grandezze
in gioco.
3) LA TERNA DELLE CORRENTI DI INDOTTO E’ QUADRATURA IN RITARDO
RISPETTO LA TERNA DI F.E.M. DI INDOTTO. In questo caso l’induzione magnetica dovuta
alla corrente di eccitazione è indebolita e dunque la f.e.m. de conduttori di indotto risulta anch’essa
indebolita. Nella figura sono riportati gli andamenti delle principali grandezze in gioco.
180
REATTANZA EQUIVALENTE DI REAZIONI DI INDOTTO. I fenomeni precedentemente
illustrati possono essere descritti attraverso una reattanza induttiva
che prende il nome di reattanza equivalente di reazione di
indotto. Se infatti consideriamo il modello circuitale di un
alternatore trifase rappresentato in figura, si ha che la terna delle
tensioni stellate a valle delle tre reattanze induttive vale
)(
)(
)(
0
0
0
LjIEE
LjIEE
LjIEE
CCC
BBB
AAA
Per mostrare come questo schema renda i tre casi precedentemente illustrati riconsideriamoli uno ad
uno.
1) Diciamo che la terna delle correnti sia in fase
con la terna delle tensioni stellate. Allora il
diagramma fasoriale della sola prima fase è quello
indicato a sx, in figura.
2) Se la terna delle correnti è in quadratura in
anticipo sulla terna stellata delle tensioni a vuoto,
allora la reattanza equivalente di reazione di
indotto permette, come si vede al centro, di predire
il valore delle tensioni stellate a carico.
3) Anche nel caso di correnti di fase in quadratura
in ritardo rispetto le tensioni stellate a vuoto la
reattanza equivalente dà un risultato in accordo
con quanto precedentemente visto.
RESISTENZA DI INDOTTO. Quando l’indotto è messo in collegamento con un carico ed in esso
transita corrente, allora si avrà una perdita di potenza dovuta a dissipazione di calore per effetto
Joule. In altri termini dovremo attribuire a ciascuno dei tre avvolgimenti di indotto del nostro
alternatore una resistenza R.
REATTANZA DI DISPERSIONE. L’induzione prodotta dalle correntidi indotto non sarà tutta
auotoconcatenata con l’indotto stesso e dunque non avrà il solo effetto di modificare la f.e.m. di
ciascuno conduttore di indotto, effetto già messo in conto in quanto sopra. Vi sarà infatti anche del
flusso disperso per la cui produzione però va
spesa della energia da parte delle tensioni di
indotto. Come valutare questa energia?
Ovvero quale caduta di tensione attribuire a
questa perdita di energia? Si attribuisce a
ciascuno dei tre avvolgimenti di indotto una
reattanza induttiva X.
MODELLO SEMPLIFICATO DELLA
TENSIONE DI INDOTTO. Quando si
collegano ad un carico le tre bobine di indotto
del nostro alternatore trifase si ha in esse
passaggio di corrente e questo porta a sua
volta a delle necessarie correzioni sul avalore da attribuire alla tensione stellata dei tre avvolgimenti
di indotto. Abbiamo effettuato in particolare tre correzioni, che riassumiamo nel seguito.
181
1) L’effetto della induzione prodotta dalle correnti di indotto e autoconcatenata con l’indotto stesso
è stato valutato attraverso tre reattanze induttive dette reattanze equivalenti di indotto che
indichiamo da qui in poi iX .
2) L’effetto del riscaldamento delle tre bobine di indotto lo abbiamo tenuto in conto introducendo
tre resistenze R.
3) La perdita di energia dovuta al flusso disperso prodotto dai tre conduttori di indotto lo abbiamo
rappresentato attraverso tre reattanze induttive che indichiamo X.
Si ottiene allora il circuito equivalente indicato in figura per il nostro alternatore trifase. Le relative
equazioni che forniscono le tensioni trifase a valle delle correzioni apportatae sono le seguenti.
)(
)(
)(
0
0
0
RLjLjIEE
RLjLjIEE
RLjLjIEE
iCCC
iBBB
iAAA
In pratica si introduce poi la così detta impedenza sincrona
sis jXRLLjRZ
dove è stata anche indicata quella che prende il nome di reattanza sincrona. In genere si verifica
che la resistenza è trascurabile rispetto alla reattanza sincrona, per cui solitamente si ha
ss jXZ
IV) FUNZIONAMENTO IN CORTOCIRCUITO
Prendiamo i tre morsetti del nostro alternatore e colleghiamoli fra loro. In questo modo si hanno nei
tre avvolgimenti di indotto le tre correnti di cortocitcuito
s
C
s
CCcc
s
B
s
BBcc
s
A
s
AAcc
X
Ej
Z
EI
X
Ej
Z
EI
X
Ej
Z
EI
00
00
00
Si deve osservare che ciascuna corrente di
cortocircuito risulta in quadratura in ritardo rispetto alla corrispondente tensione a vuoto. Questo
significa che, come visto, il flusso polare della induzione risulta indebolito dal contributo dovuto
alla induzione generata dalle correnti di indotto.
182
CARATTERISTICA DI CORTOCIRCUITO. A frequenza imposta la corrente di cortocircuito è
funzione della sola corrente di eccitazione. Risulta allora possibile tracciare l’andamento del valore
efficace della corrente di cortocircuito in funzione del valore della corrente di eccitazione. Tale
diagramma viene detto caratteristica di cortocircuito. Dalla sua conoscenza risulta poi possibile
ricavare anche il diagramma della funzione
ess IZZ
V) COMPORTAMENTO ELETTRICO
SCHEMA EQUIVALENTE MONOFASE. Diciamo che il nostro alternatore fornisca una terna
di f.e.m. simmetrica e diciamo anche che il carico a cui si collega sia equilibrato. In questo caso
potremo considerare lo schema elettrico equivalente monofase. Ad esso corrisponde il diagramma
fasoriale illustrato.
CARATTERISTICHE ESTERNE. Si definiscono
caratteristiche esterne della macchina sincrona i diagrammi in
cui il valore efficace della tensione concatenata dell’alternatore
è riportato in funzione del valore efficace della corrente di
linea per vari angoli di sfasamento φ fra la corrente di linea e la
tensione a carico
della fase
corrisponedente. Il
tutto tenendo
costante la velocità di
rotazione della
macchina e la
corrente di eccitazione dell’induttore. Ebbene si trovano
gli andamenti illustrati in figura.
COEFFICIENTE DI REGOLAZIONE. Diciamo
coefficiente di regolazione E la differenza fra i valori
efficaci della tensione a vuoto e della tensione a carico di
una fase dell’alternatore. In realtà il coefficiente di regolazione dà una misura approssimata di tale
differenza.
183
Si consideri a tal proposito il diagramma fasoriale nella illustrazione. Se si ammette che la
differenza fra le due tensioni, a vuoto e a carico, è piccola, allora si ha che
sincos0 sIXIREPAOPOAOBE
Ma allora
sincos0 sIXIREEE
In realtà poi il coefficiente di regolazione prende in considerazione i valori delle tensioni
concatenate ed è un valore percentuale. Per cui il vero coefficiente di regolazione, quello
normalmente usato, è il seguente
100
sincos3100%
U
IXIR
U
Uu s
VI) COMPORTAMENTO ELETTROMECCANICO
CALCOLO DELLE POTENZE CONVERTITE. Intanto
si riporta il grafico complessivo delle potenze che competono
ad una macchina elettrica rotante (nel caso del
funzionamento da motore). In questa sede è di nostro
interesse esaminare in dettaglio la conversione
elttromeccanica tra
1)la potenza elettrica uscente dai morsetti, a monte di ogni
tipo di perdita, gP
2)e la potenza meccanica mP , depurata da tutte le perdite di
tipo meccanico.
La prima potenza è il valore medio della potenza istantanea
elettrica. Cioè è in pratica la potenza attiva uscente dai
morsetti. Quindi, nel caso di sistema simmetrico ed
equilibrato si scrive
0000 cos3cos3 IUIEPg
dove si è introdotto lo sfasamento fra la terna delle correnti
di linea e quella delle tensioni stellate a vuoto.
La seconda potenza è data invece da
rm MP
dove compaiono le componenti della coppia applicata all’albero (dall’esterno)
M e della velocità
angolare r
rispetto ad un asse parallelo all’albero, con verso arbitrario.
184
Ciò posto è possibile distinguere allora le seguenti tre situazioni.
1) FUNZIONAMENTO DA GENERATORE. Nel caso in cui risulti
220
allora si ha
00cos 0 mg PP
dunque la macchina eroga potenza elettrica e assorbe potenza meccanica (si ricorda che la macchina
è convenzionata da generatore rispetto alla potenza elettrica, e convenzionata da utilizzatore rispetto
alla potenza meccanica).
In effetti nel caso di fase nulla, cioè di correnti di linea e tensioni stellate in fase, allora le forze
ponderomotrici dovute alla interazione fra la induzione al traferro e le correnti di indotto, si
oppongono alla rotazione della macchina, come si evince dalla figura.
In questo caso risulta altresì che
0 rm MP
cioè i due vettori
M e r
hanno lo stesso verso. Ed infatti è necessario, per far ruotare il rotore, che
venga applicata ad esso, dall’esterno una coppia equiversa alla velocità di rotazione.
2) FUNZIONAMENTO DA MOTORE. Nel caso in cui risulti
2
3
20
allora si ha
185
00cos 0 mg PP
Dunque la macchina assorbe potenza elettrica e genera potenza meccanica. Si vede come essendo
0 rm MP
si ha che in questa condizione la coppia applicata dall’esterno ha verso opposto alla velocità di
rotazione. Si tratta infatti di una coppia resistente, quella contro la quale lavora la macchina che, in
questo caso, si comporta da motore.
3) FUNZIONAMENTO A COPPIA NULLA. Abbiamo fin qui trascurato due casi limite, ovvero
20
nei quali si ha
00cos 0 mg PP
In questo caso la macchina non scambia potenza elettrica né meccanica con l’esterno e la coppia
agente sul suo albero risulta nulla. Nella illustrazione è rappresentato il caso in cui 20
, cioè
in cui la corrente è in quadratura in anticipo rispetto ala tensione. In effetti si vede come in questa
situazione la sollecitazione ponderomotrice complessivamente applicata dal rotore allo statore è
nulla.
CALCOLO DELLA POTENZA ELETTRICA USCENTE. Indichiamo con
S la potenza
elettrica complessa erogata dall’alternatore a valle delle impedenze sincrone. Allora abbiamo
sincos3sin3cos3 jUIEIEIjQPS
186
dove E è il valore efficace della terna di tensioni stellate a valle delle impedenze sincrone e U è il
valore delle tensionio concatenate a valle delle impedenze sincrone. Ovviamente qui φ indica lo
sfasamento della terna delle correnti di linea rispetto alla terna di tensioni stellate (quella a valle
delle impedenze sincrone).
Nel funzionamento da generatore si ha
0 PPg
In quello da motore si ha invece
0 gPP
VII) COMPORTAMENTO DINAMICO
SFASAMENTO TRA LA TERNA DELLE TENSIONI STELLATE A VUOTO E LA
TERNA DELLE TENSIONI STELLATE A CARICO. Ditinguiamo due casi.
1) COMPORTAMENTO DA GENERATORE. Sappiamo che in questo caso
220
Sappiamo inoltre che in generale
sss XIjEEjXIjXIRIEE 00
Disegnamo allora il diagramma fasoriale per
02
0
e quello per 2
0 0
.
Si vede dunque come, in ogni caso, nel generatore la tensione a vuoto è in anticipo su quella a
carico.
2) COMPORTAMENTO DA
MOTORE. In questo caso, come
sappiamo, si ha
2
3
20
Disegnamo allora il diagramma
fasoriale per
02
e quello
per 2
30
. Si vede dunque
come, in ogni caso, nel comportamento da motore la tensione a vuoto è in ritardo su quella a carico.
187
LEGAME TRA LO SFASAMENTO δ E LA POTENZA MECCANICA ENTRANTE.
Consideriamo il generico diagramma fasoriale della macchina sincrona. Sappiamo che
ss XIjZIEE
0
dunque si ha
sincos 0 EhIX s
si ricava allora
s
m
s
rm
X
EEP
X
EI
IEMP
sin3
sincos
cos30
0
00
Da questa formula è possibile risalire ad un legame fra lo
sfasamento δ e il comportamento della macchina sincrona. In
particolare si ha il grafico indicato in figura.
VARIAZIONE DELL’EQUILIBRIO MECCANICO.
Consideriamo una macchina sincrona collegata ad una rete
trifase che impone una terna di tensioni stellate coincidente
con la terna stellata delle tensioni a vuoto della macchina. In
tal caso si ha
1) I=0
2) δ=0
3) 0 gm PP
Il rotore ruoti alla velocità di sincronismo r . Esaminiamo
allora i due casi seguenti.
1)Interveniamo fornendo potenza meccanica al rotore attraverso un motore primo. Allora si ha
00 gm PP
e la macchina comincia ad erogare potenza elettrica. La corrente di linea risulterà quasi in
quadratura con la tensione stellata ai morsetti della rete (vedi figura). Si verifica in pratica che la
velocità d rotazione del rotore aumenta inizialmente per tornare poi alla velocità fissata.
2)Interveniamo assorbendo potenza meccanica, offrendo resistenza alla rotazione del rotore. In
questo caso si ha
00 gm PP
cioè la macchina assorbe potenza elettrica dalla rete e comincia a funzionare da motore. La corrente
è in questo caso quasi in opposizione di fase con la tensione ai morsetti.
188
Si conclude che
la macchina sincrona reagisce ad una variazione della velocità di rotazione ripristinando la
velocità di rotazione iniziale.
VARIAZIONE DELL’EQUILIBRIO ELETTRICO. Consideriamo la stessa condizione iniziale
descritta nel precedente paragrafo. Esaminiamo i due casi seguenti.
1)Aumentiamo la corrente di eccitazione. In questo caso aumenta il valore efficace della tensione a
vuoto rispetto alla tensione ai morsetti, mentre delta continua a restare nullo. Si genera allora una
corrente di linea in quadratura in ritardo sulla tensione ai morsetti. Questa corrente ha effetto
smagnetizzante e dunque si oppone all’aumento
della induzione al traferro dovuto all’aumento
della corrente di eccitazione. Determina tuttavia
forze ponedromotrici nulle.
In questo caso la macchina produce potenza
reattiva positiva e potenza attiva nulla. Si
comporta cioè da induttore puro.
2)Diminuiamo la corrente di eccitazione. Allora
la tensione a vuoto diminuisce rispetto alla
tensione della rete ai morsetti, senza tuttavia che si sfasi rispetto ad essa. Nell’induttore allora
circola una corrente in quadratura in anticipo rispetto alla tensione ai morsetti e la macchina si
comporta dunque da condensatore, producendo potenza reattiva negativa e potenza attiva nulla.
Questa corrente rafforza l’induzione al traferro ma determina forze ponedromotrici nulle.
Si conclude allora che
la macchina sincrona reagisce ad una variazione della corrente di eccitazione sviluppando una
corrente di indotto che ripristini il valore iniziale della induzione al traferro.
REGOLAZIONE DELLA MACCHINA SINCRONA. Riprendiamo le condizioni iniziali
considerate nei due precedenti paragrafi. Abbiamo visto che fornendo potenza meccanica all’albero
della macchina si aumenta la potenza attiva fornita dalla stessa (la potenza reattiva resta nulla).
Viceversa, offrendo resistenza alla rotazione dell’albero della macchina si ottiene un’assorbimento
di potenza attiva dalla rete, senza assorbimento di potenza reattiva.
Abbiamo poi visto che l’aumento della corrente di eccitazione determina una corrente di indotto
(una terna di correnti di indotto) la quale determina uno sviluppo di potenza reattiva positiva
(comportamento da induttore). Viceversa una riduzione della corrente di eccitazione determina lo
sviluppo di una corrente di indotto che determina a sua volta uno sviluppo di potenza reattiva
negativa (comportamento da condensatore). Da queste osservazioni ne discende la seguente tabella.
REGOLAZIONE DELL’ALTERNATORE
ESIGENZA RISPOSTA
MAGGIORE POTENZA ATTIVA AI
MORSETTI
Si aumenta la potenza meccanica ceduta
all’albero della macchina.
MAGGIORE POTENZA MECCANICA
RICHIESTA AL MOTORE
Si aumenta la coppia resistente all’albero della
macchina.
MAGGIORE POTENZA REATTIVA
POSITIVA AI MORSETTI Si aumenta la corrente di eccitazione.
189
MAGGIORE POTENZA REATTIVA
NEGATIVA AI MORSETTI Si diminuisce la corrente di eccitazione.
VIII) AVVIAMENTO DELLA MACCHINA SINCRONA
INTRODUZIONE. La velocità della macchina sincrona è legata alla frequenza della rete dalla
relazione
pfn /60
dunque, prima di connetterla ad una rete elettrica è necessario portarla a tale velocità, detta velocità
di sincronismo. Vediamo allora le strategie adottate per realizzare questa operazione nel caso di
alternatori e motori.
ALTERNATORE. L’alternatore è meccanicamente connesso ad un motore primo (ad esempio una
turbina) il quale fornisce ad essa la potenza meccanica da convertire in potenza elettrica. Ora tale
motore può essere usato anche per avviare l’alternatore, cioè per portarlo alla velocità di
sincronismo.
MOTORE. Il motore ha bisogno di essere avviato mediante una connessione meccanica ad un altro
motore il quale prende il nome di motore di lancio.
INVERTER. L’inverter è un dispositivo il quale consente di variare la frequenza della rete. Grazie
ad esso dunque è possibile far aumentare la velocità della macchina sincrona (mototre o alternatore)
da zero fino alla velocità di sincronismo.
190
CAPITOLO XVI,
MACCHINE ASINCRONE
I) GENERALITA’
INTRODUZIONE. La macchine elettrica asincrona, o a induzione, è una macchina elettrica
rotante usata sia come generatore che come motore. In pratica l’uso da motore è prevalente su
quello da generatore. Le macchine asincrone possono essere tanto
monofasi quanto trifasi. In quanto segue ci riferiremo in particolare
a motori trifasi.
CENNI COSTRUTTIVI. Le macchine asincrone presentano un
rotore il quale ha in genere funzione di indotto ed uno statore il
quale ha invece funzione di induttore. L’induttore statore presenta
delle cave sulla superficie interna le quali alloggiano i conduttori di
statore. Tali conduttori sono parte di bobine la cui disposizione
permette di identificare sullo statore dei poli distribuiti in p coppie
polari per un totale di 2p poli. I poli dello statore non sono per il
resto visibili, essendo lo statore liscio ed essendo le cave tutte uguali
fra loro.
Il rotore può presentare due tipologie, la tipologia a rotore avvolto e
quella a gabbia di scoiattolo (singola o doppia). Esaminiamole una
ad una.
1) Il rotore avvolto, detto anche ad anelli, è un rotore liscio con cave sulla sua superficie esterna.
Nelle cave sono alloggiati i conduttori di indotto i quali sono avvolti in modo da determinare un
numero di poli uguale a quello dei poli presenti sullo statore induttore. Anche qui i poli non sono
per il resto visibili, essendo le cave tutte uguali ed essendo il rotore liscio. Gli avvolgimenti di
rotore sono collegati in modo da formare tre matasse le
quali sono collegate ciascuna ad un anello calettato
sull’albero. Ogni anello è poi collegato ad una spazzola.
Le tre spazole sono poi collegate al reostato di
avviamento, che esaminiamo nel seguito.
2-a) Nel rotore a gabbia di scoiattolo singola abbiamo
ancora la struttura precedentemente illustrata, ovvero un
rotore liscio con cave sulla superficie esterna. Qui
tuttavia ogni cava alloggia un solo conduttore, e non si
tratta di un conduttore flessibile (un filo), ma di una
sbarra in rame (o alluminio, o bronzo). Inoltre tutte le
sbarre sono saldate alle due estremità ad un anello
conduttore che le mette in cortocircuito (e che è detto
anello di cortocircuito).
2-b) Il rotore a gabbia di scoiattolo doppia presenta due
gabbie concentriche unite fra loro al livello degli anelli di
cortocircuito. Si osserva che la gabbia più interna
presenta sbarre di raggio molto maggiore rispetto a
quello delle sbarre della gabbia esterna.
191
In figura si vede una gabbia singola e una gabbia doppia con solo una coppia di sbarre (esterna,
quella sottile, interna quella spessa).
Le macchine con rottore a gabbia sono semplici da costruire e robuste. Sono preferite, negli
impieghi a bassa potenza, alle macchine a rotore avvolto.
II) VALORI NOMINALI
I valori nominali sono quei valori delle grandezze elettriche alle quali corrisponde il funzionamento
ottimale della macchina. I principali valori nominali delle macchine asincrone sono i seguenti.
nP potenza nominale (W)
nU tensione nominale di indotto (V)
nI corrente nominale di indotto (A)
ncos fattore di potenza nominale
nf frequenza nominale (Hz)
nn velocità nominale di rotazione (giri/minuto)
nC coppia nominale dell’albero (Nm)
ns scorrimento nominale (%)
Tensione e corrente nominale sono da intendere come valori efficaci. La potenza nominale indica
la potenza fornita all’albero e la sua unità di misura sarà il W.
Per le macchine asincrone monofasi si ha
nnnnnn nCIUP60
2cos
Per le macchine asincrone trifasi si ha
nnnnnn nCIUP60
2cos3
Lo scorrimento, grandezza caratteristica delle macchine asincrone, dà conto della differenza della
velocità del rotore rispetto a quella del campo magnetico rotante, come si vedrà nel seguito.
II) INDUZIONE AL TRAFERRO
CAMPO MAGNETICO ROTANTE. In questo paragrafo si farà riferimento ad una macchina
asincrona avente le seguenti caratteristiche:
1)trifase;
3)induttore nello statore;
4)indotto nel rotore;
5)due coppie polari (p=2).
Consideriamo allora lo statore induttore di questa macchina. Se consideriamo solo la fase A e
mettiamo un conduttore per cava abbiamo la situazione illustrata in figura. Si riporta l’andamento
192
della induzione al traferro rispetto alla cordinata angolare s la quale si considera valutata rispetto
ad un sistema di riferimento solidale con lo statore. L’induzione determinata dai conduttori di
induttore dell’avvolgimento della fase A varia nel tempo (in colore diverso sono riportati andamenti
relativi ad istanti diversi) poiché variabile nel tempo è la corrente di eccitazione (qui si noti la
differenza con le macchine sincrone, nelle quali la corrente di eccitazione, oltre ad essere monofase,
è anche continua). Tuttavia i conduttori sono disposti in maniera tale che ad ogni istante si abbia un
andamento sinusoidale. Inoltre i punti in cui l’induzione si annulla sono gli stessi istante per istante.
La somma delle induzioni determinate dagli avvolgimenti delle tre fasi determina una induzione ad
andamento sinusoidale di periodo 2τ che ruota rispetto allo statore con velocità angolare
pc
dove ω è la pulsazione della corrente di eccitazione. Pertanto si ottiene una induzione rotante la cui
velocità di rotazione è legata alla pulsazione della terna di correnti eccitazione dallo stesso legame
193
che, nelle macchine sincrone, lega la velocità di rotazione del rotore (nonché dell’induzione) alla
pulsazione della terna di correnti dell’indotto.
Nella figura sono disposti i conduttori di cava di tutti e tre gli avvolgimenti. Sotto è riportato il
senso di marcia della induzione complessiva, rispetto allo statore. Si vuole osservare che
l’avvolgimento della fase C è uguale a quello della fase A ma traslato di τ/3 rispetto a questo.
Analogamente l’avvolgimento della fase B è uguale agli altri due ma traslato di τ/3 rispetto
all’avvolgimento della fase C.
VELOCITA’ DI SINCRONISMO. La velocità di rotazione del campo magnetico è detta velocità
di sincronismo, per analogia con le macchine elettriche sincrone nelle quali tale nome è attribuito
alla velocità di rotazione del campo magnetico e dunque, in quel caso, anche del rotore, che se lo
trascina.
Anche nel caso delle macchine asincrone è usuale esprimere la velocità di sincronismo in giri al
minuto, anziché in radianti al secondo. Si ha dunque
p
f
p
f
p
radradiantigirin cc
602
2
60
2
60
2
60
sec2
60
sec
60
2min
Tenendo presente per la frequenza il valore della corrente industriale (50Hz) allora la più altà
velocità di rotazione possibile, in una macchina asincrona, per il campo magnetico, vale
min3000
1
5060 girinc
III) ROTORE FERMO
ROTORE FERMO E INDOTTO APERTO. Quando abbiamo studiato le macchine sincrone
abbiamo iniziato considerando aperto l’indotto, considerando cioè le tensioni a vuoto ai morsetti
dell’indotto. Anche qui consideriamo l’indotto a vuoto. Inoltre, per semplificare la trattazione,
consideriamo al momento bloccato il rotore. Allora il campo magnetico rotante determina f.e.m.
sinusoidali con frequenza f sia negli avvolgimenti di statore che di rotore. Il valore efficace della
tensione indotta negli avvolgimenti di rotore si può esprimere
fNkpkE rfarar 2
mentre quello della tensione indotta negli avvolgimenti di statore si può esprimere
fNkpkE sfasas 2
dove
f è la frequenza della corrente di alimentazione dell’induttore
Ф è il flusso polare
fk è il fattore di forma del flusso polare
ask è il fattore di avvolgimento di statore (che non so bene cosa sia)
ark è il fattore di avvolgimento di rotore (che non so bene cosa sia)
sN numero di conduttori per fase di statore
rN numero di conduttori per fase di rotore
194
Poiché il rapporto fra queste due tensioni risulta costante si ha che la macchina asincrona a rotore
bloccato si comporta come un trasformatore trifase in cui l’induttore è il circuito primario e
l’indotto è il secondario, in cui cioè le bobine dello statore fungono da primario e quelle del rotore
da secondario. La differenza tuttavia con il trasformatore statico (chiamiamolo così) sta nel fatto
che in questo caso il flusso concatenato con i due avvolgimenti non varia per via della oscillazione
temporale, ma per il fatto che l’induzione ruota, sia rispetto allo statore che rispetto al rotore,
entrambi fermi. Spesso si dice, a ragione per quanto detto, che la macchina asincrona costituisce un
trasformatore a campo rotante. Definiamo allora il rapporto di trasformazione del motore asincrono
come
rar
sas
ar
as
Nk
Nk
E
Et
Passiamo poi a definire lo schema equivalente monofase della macchina asincrona sul modello di
quello del trasformatore statico.
Si distinguono le due reattanze di dispersione e l’impedenza a vuoto a primario. Si riconoscono
inoltre le resistenze dei due avvolgimenti. Si evidenzia come l’avvolgimento secondario sia aperto e
dunque in esso non transiti corrente.
La corrente di statore, detta qui corrente a vuoto, vale
10
10
Z
EI
as
La tensione stellata ai morsetti dello statore dunque è
1110111101 jXRIEjXRIE
ROTORE FERMO E INDOTTO IN CORTOCIRCUITO. Adesso colleghiamo fra loro i tre
avvolgimenti dell’indotto (gli avvolgimenti del rotore). Lo schema equivalente della macchina
asincrona diviene in questo caso quello seguente. La corrente di corto circuito del secondario risulta
pertanto
22
2
jXR
EI
arcc
La corrente di cortocircuito della statore sarà invece
195
1022
10210121
11
Z
E
jXR
E
tII
tIII
asarcccccc
Naturalmente si può riportare a primario l’impedenza posta nell’avvolgimento secondario
effettuando la trasformazione
2
2
12
2
2
12
XtX
RtR
ottenendo così lo schema equivalente seguente
che porge l’equazione
101212
10210121
1
Z
E
jXR
EtII
tIII
asarcccccc
IV) ROTORE LIBERO
SCORRIMENTO. A differenza del caso della macchina sincrona, in cui il campo magnetico
generato dal rotore non può che essere fisso rispetto al rotore stesso, essendo generato da una
corrente continua, nel caso della macchina asincrona il campo magnetico generato dal rotore ruota
rispetto al rotore essendo dovuto a corrente alternata trifase.
Dunque mentre nel caso della macchina sincrona era sufficiente una sola velocità per descrivere i
fenomeni, ovvero la velocità di rotazione del rotore rispetto allo statore, nel caso della macchina
ascincrona si devono introdurre ben tre velocità, ovvero
196
1) la velocità di rotazione del campo magnetico rotante rispetto allo statore ccn 2
60 ,
2) la velocità di rotazione del rotore rispetto allo statore rrn 2
60 ,
3) la velocità di rotazione del campo magnetico rotante rispetto al rotore.
Quest’ultima velocità è espressa attraverso la grandezza seguente
c
rc
c
rc
n
nns
Essa, più esattamente, indica la velocità relativa tra rotore e campo magnetico rotante, divisa per la
velocità del campo magnetico rotante.
FREQUENZA DELLA INDUZIONE NEL ROTORE. I conduttori del rotore, nel caso in cui
questo sia in moto, vedono una induzione la cui frequenza non è quella della corrente di eccitazione
dello statore. La frequenza con la quale l’induzione oscilla rispetto al rotore sarà data da
sfs
Tf csc
s
s
22
1
ROTORE SBLOCCATO E INDOTTO IN CORTOCIRCUITO. COMPORTAMENTO A
CARICO. Come visto, nel momento in cui il rotore può muoversi le grandezze elettriche del suo
avvolgimento sono ad una frequenza diversa da quelle dell’avvolgimento di statore (avvolgimento
primario). Tuttavia, pur non essendo le grandezze dei due avvolgimenti del trasformatore rotante
alla stessa frequenza, esse vengono ancora considerate tali (forse si tratta di una accettabile
approssimazione?) anche se vengono apportate le modifiche relative alla variazione del valore
efficace della tensione dell’avvolgimento dell’indotto e della reattanza induttiva di dispersione.
Infatti si pone
22 sXX
EsE
s
arars
Ciò posto la corrente rotorica diventa
2222
2
jXs
R
E
jsXR
EsI
arar
La corrente di indotto produce un campo magnetico rotante la cui velocità, rispetto al rotore, vale
cs s
p
fs
p
f
22
La velocità rispetto allo statore varrà dunque
197
crrcrc
c
rcrcs
Cioè si trova che il campo magnetico rotante determinato dalle correnti del rotore, non
isofrequenziali rispetto a quelle di statore, è sincrono rispetto alla induzione rotante prodotta dallo
statore.
Lo schema equivalente della macchina asincrona in cortocircuito a secondario e con rotore
sbloccato è allora il sequente.
Riportando a primario l’impedenza di secondario, con le trasformazioni
2
2
12
2212
XtX
s
Rt
s
R
si ottiene lo schema equivalente seguente.
Si osservi adesso che è possibile scrivere
SRRRs
sR
s
R12121212
12 1
Si può allora dire che i due addendi della resistenza di secondario riportata a primario hanno il
seguente significato:
1) il primo rappresenta la resistenza dell’avvolgimento rotorico, riportata a primario;
2) il secondo si presenta solo in caso di rotazione del rotore e permette di esprimere, come si vedrà,
la potenza elettrica convertita in potenza meccanica.
Lo schema equivalente può essere allora ulteriormente ridisegnato. Si ha quanto segue.
198
Dallo schema si deduce anche il perché della definizione di comportamento a carico per la
macchina asincrona con rotore sbloccato. In effetti sbloccare il rotore è equivalente a chiudere i tre
avvolgimenti di indotto su una resistenza
12
1R
s
s
resistenza il cui valore dipende dallo scorrimento e dunque dalla velocità del rotore.
V) POTENZA, COPPIA E RENDIMENTO
POTENZA. La potenza attiva trasferita al rotore, in base allo schema equivalente, è data da
s
sRRI
s
RIP
133 1212
2
12122
12
Si vede dunque che essa presenta due addendi. Il primo rappresenta la potenza elettrica attiva
convertita in calore per effetto Joule dalle resistenze dei tre avvolgimenti di rotore. Il secondo
addendo è la potenza elettrica convertita in potenza meccanica. Si ha cioè
s
sRI
s
sRIPm
13
13 2
2
212
2
12
COPPIA. Ricordando che la potenza meccanica è data da
rm CP
si ha per la coppia l’espressione
Pp
s
RpI
p
sRI
PC
r
m
12
2
1212
2
12 3
13
Si trova che la coppia è proporzionale alla potenza attiva totale ceduta al rotore.
RENDIMENTO. In base ai simboli introdotti il rendimento è esprimibile nel seguente modo
199
dissm
m
PP
P
VI) SCHEMA EQUIVALENTE SEMPLIFICATO E
DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI
SCHEMA EQUIVALENTE SEMPLIFICATO. Anche nel caso del trasformatore rotante, ovvero
delle macchine asincrone, lo schema equivalente a carico (che in questo caso vuol dire in
condizione di rotore sbloccato e di indotto in cortocircuito) si può semplificare portando
l’impedenza a vuoto a monte della impedenza dell’avvolgimento a primario. Pertanto otteniamo lo
schema equivalente semplificato seguente.
Si osservi, in figura, la simbologia adottata per la impedenza serie che si viene ad avere cono lo
spostamento della impedenza a vuoto.
SEMPLIFICAZIONE ACCETTABILE? Ricordiamo il significato della impedenza a vuoto.
Essa è il parallelo di una resistenza (che permette di tenere conto del riscaldamento del nucleo per
isteresi e correnti parassite) e della autoinduttanza dell’avvolgimento primario. Si ha cioè
1
1
10
11
LjRZ
Ora si ricordi che l’autoinduttanza del primario è legata alla riluttanza del nucleo ferromagnetico
dalla relazione
1
2
1
L
N
Dunque, nel trasformatore rotante, essendo la riluttanza molto consistente, a causa della presenza
del traferro, l’autoinduzione del primario sarà piccola e piccola risulterà anche l’impedenza a vuoto.
Pertanto, in questo caso la semplificazione fatta è meno giustificata che nel caso del trasformatore
statico. Tuttavia normalmente la si considera accettabile.
200
DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI. STRUMENTI DI MISURA. Per ricavare i parametri
dello schema equivalente del trasformato rotante, si adottano le seguenti inserzioni degli strumenti
di misura. Si osservi in particolare l’inserzione Aron dei due wattmetri, la quale, come si sa,
permette di avere la potenza attiva totale entrante nel motore, come somma delle letture dei due
wattmetri.
DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI. PROVA A VUOTO. La prova a vuoto viene
effettuata facendo ruotare il rotore alla velocità di sincronismo. In questo modo si ha
00
0 1212
1 IR
RsR
Lo schema equivalente semplificato monofase si riduce dunque a quello indicato in figura. In
questo caso la misura di voltmetro e amperometro consente di valutare il
valore assoluto dell’impedenza a vuoto, mentre la misura della
inserzione Aron consente di valutare il fattore di potenza e dunque
l’argomento della impedenza a vuoto stessa che così risulta del tutto
identificata. In particolare si ha
AA
AA
A
A
AAB
IE
WWIEWW
ZI
EIU
3arccoscos3
33
21
21
10
Si osservi che la potenza attiva fornita dalla inserzione Arono è con buona approssimazione pari
alle perdite per isteresi e correnti parassite, se si esclude la potenza che si perde, per attrito, nella
rotazione del rotore.
Si osservi inoltre che il nome di prova a vuoto non deriva dall’aver messo a vuoto il secondario. In
realtà il fatto che il secondario sia sede di corrente nulla discende dal tenere il rotore alla velocità di
sincronismo.
201
DETERMINAZIONE DEI PARAMETRI. PROVA IN CORTOCIRCUITO. Se si tiene il
rotore bloccato lo scorrimento vale uno e lo schema equivalente semplificato monofase si disegna
come in figura. L’impedenza che si misura in questo caso è il parallelo tra l’impedenza a vuoto e
l’impedenza di cortocircuito, entrambe a primario.
VII) DIAGRAMMA CIRCOLARE
INTRODUZIONE. Il diagramma circolare è un grafico che si traccia a partire dai parametri dello
schema equivalente semplificato monofase. Esso permette di conoscere le prestazioni della
macchina asincrona in ogni condizione di funzionamento.
TRACCIAMENTO DEL DIAGRAMMA CIRCOLARE. Nel piano complesso si riporti la
tensione stellata a primario, parallelamente all’asse immaginario. Supponiamo che tale tensione
resti costante in ciascuna condizione di funzionamento.Riportiamo poi la corrente a vuoto data da
10
110
Z
EI
Riportiamo inoltre la corrente di corto circuito a primario
data da
c
cc
Z
EI
1
11
Riportiamo anche la corrente di cortocircuito a secondario riportata a primario, data da
10112 III cccc
Otteniamo così il diagramma in figura. Il punto S0 indica il funzionamento a scorrimento nullo
(rotore alla velocità di sincronismo ovvero funzionamento a vuoto), mentre il punto S1 indica il
funzionamento a scorrimento unitario (rotore fermo ovvero cortocircuito).
Esaminiamo ora la condizione di funzionamento generico. Consideriamo lo schema semplificato. In
base alla LKT si ha
202
X
sRIj
X
EjI
IX
sRIj
X
EjI
jX
sRI
jX
EjXIsRIE
12112
12121
12121
12121
I tre fasori che appaiono sopra costituiscono un triangolo rettangolo con ipotenusa parallela all’asse
reale. Riportando dunque la corrente secondaria riportata a primario con origine nel punto S0 si ha
il diagramma seguente.
Al variare dello scorrimento fra 1 (rotore fermo) e zero (velocità del rotore pari a quella del campo
magnetico rotante) il punto S scorre lungo la semicirconferenza dal punto S1 al punto S0.
Il valore efficace delle correnti si ottienen direttamente dalla lunghezza dei segmenti che le
rappresentano moltiplicati per un opportuno fattore metrico di scala, detto fattore metrico di scala
delle correnti ed indicato im . Per cui si ha ad esempio
OSmI i1
DEDUZIONE DELLA POTENZA A VUOTO ED IN CORTOCIRCUITO. Il diagramma
circolare consente di valutare anche le potenze attraverso la misura di segmenti. Si consideri infatti
quanto segue.
La potenza a vuoto (cioè con rotore a velocità di sincronismo, cioè con s=0) è data da
00003cos03cos3 10101010 SAmSAmEOSmEIEP pii
dove si è introdotto il fattore metrico di scala delle correnti. Analogamente la potenza in
cortocircuito (cioè con rotore fermo, ovvero con s=1) è data da
11113cos13cos3 1111 SAmSAmEOSmEIEP piccicccccc
Si osservi ora che la potenza persa nel nucleo per isteresi e correnti parassite, ovvero la potenza a
vuoto, è una componenete anche della potenza in cortocircuito e anche in cortocircuito conserva lo
stesso valore. Ne segue che la potenza dissipata nel rame di primario e secondario è data da
11SBmP pcu
203
Ora quanta di questa potenza è dissipata nel primario e quanta è dissipata nel secondario?
Supponendo di conoscere il valore della resistenza del primo avvolgimento, allora la potenza
dissipata a primario vale
111
2
121 CBmRIP pcu
E’ possibile così fissare la posizioen di un punto, che diciamo C1, sul segmento A1S1, in modo tale
da poter avere anche la potenza dissipata a secondario per effetto Joule. Essa sarà infatti
necessariamente
112 SCmP pcu
DEDUZIONE DELLA POTENZA IN CONDIZIONI GENERICHE. La potenza complessa che
entra, in condizioni generiche, al primario della macchina asincrona è data da
ASjmOAmOSjmOSm
OSmjEOSmEIjEIES
pppp
ii
sincos
sincos3sincos3 111111
Dunque dal diagramma circolare si ricavano la potenza attiva e la potenza attiva entranti a primario
essendo
ASmQ
OAmP
p
p
Della potenza attiva quella perduta nel nucleo per correnti parassite ed isteresi sarà
ABmPP pFe 0
Le perdite per effetto joule nell’avvolgimento primario ed in quello secondario sono invece
rispettivamente
204
BCmP pcu 1
CDmP pcu 2
Dunque è anche possibile valutare la potenza attiva convertita in potenza meccanica. Deve essere
infatti
DSmP pm
La retta per S0 e per D, consentendo di individuare il valore della potenza convertita (in quanto
individua D) prende il nome di retta delle potenze.
DEDUZIONE DEL RENDIMENTO. Se trascuriamo le perdite di potenza per attrito e per
ventilazione allora il rendimento è dato da
AS
DS
P
Pm
DEDUZIONE DELLO SCORRIMENTO. La potenza che viene ceduta a secondario e convertita
in potenza meccanica e calore è data, in base allo schema equivalente semplificato, da
CSms
RI p122
123
La potenza invece che viene dissipata in calore dall’avvolgimento del secondario è invece
CDmRI p12
2
123
Lo scorrimento allora si scrive
CS
CD
s
RI
RIs
122
12
12
2
12
3
3
DEDUZIONE DELLA COPPIA. La potenza meccanica si esprime in funzione della coppia e
della velocità di rotazione dell’albero come
rm CP
Dunque si ha
CSmCSp
Pp
PpP
C cr
r
m
dove
cm è il fattore metrico di scala delle coppie;
205
rP è la potenza complessiva ceduta al rotore.
CARATTERISTICA MECCANICA. Si definisce caratteristica meccanica l’andamento del valore
della coppia in funzione della velocità del rotore. Si ha
sR
Ip
Pp
C r2
2
233
Ora, per ottenere una espresione in funzione dello scorrimento (e dunque della velocità di rotazione
del rotore), consideriamo lo schema elettrico semplificato in cui si riporti a secondario l’impedenza
del secondo avvolgimento (del rotore cioè). Si ha lo schema seguente.
In base ad esso ricaviamo
2
2
22
2
2
2
2
2
22
2
2
22
22
2
2
2
22
22
2
2
2
2
2
2
2
XsR
RsE
sXsR
REs
sR
I
XsR
sE
Xs
R
EI
jXs
R
EI
arar
ararar
Allora la coppia in funzione dello scorrimento si scrive
sXsR
REpsC ar
2
2
22
2
2
2
3
L’andamento di questa funzione è indicato in
figura. Si rileva in particolare il valore della
coppia in corrispondenza della velocità nulla
del rotore, ovvero di uno scorrimento unitario.
Tale coppia è detta coppia di spunto o
coppia di avviamento. Essa vale
aar C
XR
REpsC
2
2
2
2
2
2
31
Il valore massimo della coppia è invece
206
M
ar CX
Ep
XR
sC
2
2
2
2
23
Nel diagramma circolare la coppia massima è individuata dal segmento MM CS . Si consideri che il
punto MS è il punto di tangenza fra una delle rette parallele alla retta delle coppie e la
semicirconferenza.
Si osserav che la coppia massima si realizza ad una velocità che si avvicina a quella di sincronismo,
quella per la quale s=0 e la coppia e nulla.
VIII) STABILITA’ E AVVIAMENTO
STABILITA’. Si consideri il grafico dell’andamento della caratteristica meccanica. Distinguiamo
due situazioni.
1) Supponiamo che il funzionamento della macchina si trovi ada essere rappresentato dal punto B
del diagramma, cioè da un punto del tratto decrescente del diagramma della caratteristica
meccanica. Inizialmente la coppia resistente applicata all’albero dall’esterno, sia pari a quella
applicata all’albero dalla macchina (coppia motrice).
Se ora aumentiamo la coppia resistente la macchina rallenta, aumentando contemporaneamente la
sua coppia motrice, fino a che questa non raggiunge di nuovo il valore della coppia resistente. Nel
diagramma si passa dal punto B al punto C.
Se invece di aumentare la coppia resistente la diminuiamo, allora la macchina aumenta la velocità di
rotazione, diminuendo la coppia motrice fino a che questa non raggiunga il nuovo valore della
coppia resistente. Nel diagramma si passa dal punto B al punto D.
In definitiva si rileva che in corrispondenza del tratto decrescente della caratteristica meccanica, il
comportamento del motore asincrono è stabile.
2) Supponiamo che il funzionamento della macchina si trovi ad essere rappresentato dal punto A del
diagramma, cioè da un punto del tratto crescente del diagramma della caratteristica meccanica.
Inizialmente la coppia resistente applicata all’albero dall’esterno, sia pari a quella applicata
all’albero dalla macchina (coppia motrice).
Se ora aumentiamo la coppia resistente la macchina rallenta e diminuisce la coppia motrice. Il
rallentamento procede fino al blocco del rotore.
Se invece di aumentare la coppia resistente la diminuiamo allora la macchina accelera aumentando
la coppia motrice fini al valore massimo della coppia motrice. Poi accelera diminuendo la coppia
motrice fino a che questa non sia pari alla coppia resistente. Ci si ritrova in fine in un punto del tipo
B.
In definitiva si osserav che nel tratto crescente del diagramma della caratteristica meccanica il
comportamento della macchina è instabile.
FUNZIONAMENTO NOMINALE. Il funzionamento nominale si realizza in corispondenza del
tratto decrescente della caratteristica meccanica, in corrispondenza di una coppia nominale pari a
circa la metà della coppia massima. La corrente assorbita dalla macchina in queste condizioni
(corrente nominale) è circa 1/8 della corrente di spunto (ovvero della corrente di cortocircuito a
rotore bloccato, detta semplicemente corrente di cortocircuito). Lo scorrimento corrispondente (lo
scorrimento nominale) è invece prossimo a zero, essendo la velocità del rotore, in questo caso,
prossima a quella di sincronismo.
AVIAMENTO DEL MOTORE ASINCRONO. Distinguiamo due casi.
1) La coppia resistenete è minore della coppia di avviamento. In questo caso il motore può essere
collegato direttamente al carico meccanico. Esso partirà da fermo ed accelererà fino a portarsi in un
punto di equilibrio stabile.
207
2) La coppia resistente è maggiore della coppia di avviamento (e minore della coppia massima). In
questo caso non è possibile collegare direttamente il motore al carico meccanico. Esso non sarà in
grado di accelerare. Si dovrà allora far raggiungere al carco meccanico, disconnesso dal motore,
una velocità prossima a quella di sincronismo del motore, quindi lo si collegerà al motore stesso
tramite una frizione.
REOSTATO DI AVVIAMENTO. Abbiamo visto che se la coppia resistente è maggiore di quella
di avviamento esistono dei problemi per far accelerare il motore asincrono. Si osservi allora che
1212
2
1
1
10
11
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
1
331
XXjRtR
E
Z
EI
X
EpssCC
R
X
Ep
XR
REpsCC
X
Rs
cc
ar
MM
arar
a
M
Se dunque fossimo in grado di aumentare la resistenza degli avvolgimenti del rotore potremmo far
aumentare la coppia di avviamento senza alterare la coppia massima e facendo anche ridurre la
corrente di avviamento.
Aumentando 2R via via, fino a portarla al valore di 2X si ottengono le caratteristiche meccaniche
indicate in figura. Si osserva che per 22 XR si realizza la condizione della coppia massima di
avviamento, ovvero la condizione per cui la coppia di avviamento coincide con la coppia massima
erogabile dalla macchina.
L’aumento di 2R dunque permette di portare la coppia di spunto sopra il valore della coppia
resistente in modo che il motore sia in grado di accelerare fino alla condizione di funzionamento
stabile. Ma dopo che tale condizione è raggiunta il fatto di avere resistenze a secondario elevate
rende minore il rendimento della macchina che diddiperà molat potenza in calore. Inoltre si vede dal
grafico della caratteristica meccanica che aumentare 2R comporta rendere la macchina più lenta a
parità di coppia motrice.
Sarebbe allora auspicabile aumentare 2R inizialmente, per far accelerare la macchina, e poi
diminuire 2R per farle avere maggiore rendimento e maggiore velocità. Per realizzare questo
processo si usa un dispositivo, detto reostato di avviamento, il quale collega in serie ai tre
208
avvolgimento del rotore delle resistenze che possono essere aumentate o diminuite a piacimento. Il
reostato di avviamento viene inserito a valle delle spazzole, come indicato in figura.
Il reostato è usato esclusivamente per i rotori avvolti. Nel caso di rotore a gabbia vi sono altri
accorgimenti per l’avviamento. Vedi in proposito il secondo volume del Guarnieri Stella a pag. 194.
AVVIAMENTO STELLA-TRIANGOLO. Diciamo di avere un motore con gli avvolgimenti del
primario (statore) connessi a stella, alimentati alla tensione U. Diciamo adesso di avviare questo
motore connettendo i suoi avvolgimenti a stella, mediante un’opportuno commutatore. Cosa
succede allora? Succede che i singoli avvolgimenti sono ora alimentati alla tensione 3/U . Di
conseguenza la coppia di spunto sarà inferiore (tre volte inferiore) rispetto a quella attribuita alla
macchina con collegamento a triangolo degli avvolgimenti, tuttavia sarà minore anche la corrente di
spunto (di un fattore 31 ). Infatti si ha
ccccY
aar
aY
IXXjRtR
U
Z
U
XXjRtR
U
Z
UI
C
R
X
tU
p
R
X
tU
p
R
X
t
U
p
XR
REpC
1
1212
2
1
1
10
1
1212
2
1
1
10
11
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
1
3
133
3
1
11
3
1
3
1
3
33
Dunque si usa questo genere di stratagemma per l’avviamento quando non si ha bisogno di una
coppia di spunto molto elevata ma si ha necessità di avere una corrente di spunto bassa. Quando la
macchina è stata avviata e dunque la corrente a primario si riduce, allora si può ripristinare, sempre
attraverso il commutatore, il collegamento a triangolo degli avvolgimenti in modo da avere la
disponibilità di una coppia motrice maggiore.
IX) REGOLAZIONE DELLA VELOCITA’
INTRODUZIONE. Si è detto che il motore asincrono viene fatto lavorare a velocità prossima a
quella di sincronismo in quanto è in tale condizione che esso presenta la maggiore stabilità di
funzionamento. Tuttavia in alcuni casi è necessario variare la velocità di rotazione del rotore,
velocità che risulta esprimibile come funzione di frequenza, scorrimento e numero di coppie polari.
sp
fsp
ssnnsnnn
nns ccccr
c
rc
160
12
601
2
601
Nei paragrafi seguenti esaminiamo i quattro principali modi per variare la velocità del rotore.
VARIAZIONE DELLA RESISTENZA DI ROTORE. Nel paragrafo sul reostato si è visto che
aumentando il valore della resistenza in serie con i tre avvolgimeti di rotore si ottiene una nuova
caratteristica meccanica in cui, a parità di coppia motrice, si ha una velocità di rotazione minore.
Dunque il reostato è usato non solo per avere una coppia di spunto più elevata, ma anche per
ottenere una macchina più lenta, al pari di coppia motrice erogata.
Il problema connesso con l’uso di un reostato per la regolazione della velocità sta nel fatto che il
reostato disperde potenza in calore, per effetto joule.
209
VARIAZIONE DELLA FREQUENZA. Abbiamo visto, nell’introduzione di questo paragrafo,
come la velocità di rotazione sia legata alla frequenza da una relazione di diretta proporzionalità.
Dunque si può intevenire sulla velocità di rotore con una variazione della frequenza della corrente
di alimentazione. Tale variazione può essere effettuata per mezzop di un dispositivo detto inverter
Per la descrizione del quale si veda il Guarnieri Stella.
Tra l’altro l’inverter consente anche una variazione della tensione a primario la quale influisce sulla
caratteristica meccanica della macchina. Si parla allora di regolazione tensione/frequenza o
regolazione U/f.
VARIAZIONE DEL NUMERO DI POLI. La velocità di rotazione risulta, come si è visto,
inversamente proporzionale al numero di poli. In effetti si usano dei commutatori che variano la
lunghezza del semipasso polare e dunque il numero complessivo di coppie polari. Queste
commutazioni permettono così di ottenere delle variazioni discrete della velocità di rotore.
INVERSIONE DEI CONTATTI DI ALIMENTAZIONE. Se scambiamo di posto fra loro due
dei tre contatti con cui l’avvolgimento primario è collegato alla rete di alimentazione, allora è
possibile invertire il senso di rotazione della macchina. Questa variazione dunque è una variazione
di verso della velocità, anziché di modulo.
X) GENERATORE ASINCRONO
DIAGRAMMA CIRCOLARE. Se si
porta la macchina asincrona oltre la
velocità di sincronismo, mediante un
motore primo, si ottine la generazione di
potenza attiva ai morsetti di rotore. In tal
caso il diagramma circolare della
macchina si completa come indicato in
figura. Il segmento CS permette di
valutare l’entità della coppia resistente,
attraverso il fattore di scala delle coppie.
La potenza elettrica attiva fornita
ai morsetti di secondario è data
invece dal segmento AS
moltiplicato per il fattore di scala
delle potenze.
CARATTERISTICA
MECCANICA. Proseguando il
tracciamento della caratteristica
meccanica oltre la velocità di
sincronismo si ottiene il grafico
indicato in figura.
XI) MOTORE ASINCRONO MONOFASE
CENNI COSTRUTTIVI. Lo statore induttore è costituito da un singolo avvolgimento. Il rotore
indotto è un rotore a gabbia di scoiattolo singola.
210
INDUZIONE AL TRAFERRO. L’andamento della induzione al traferro è simile a quello visto
per il motore trifase, quando abbiamo considerato attivo un solo avvolgimento dei tre avvolgimenti
di statore. Si tratta di una induzione i cui punti di zero sono fissi e il cui modulo oscilla in ciascun
punto da un valore al suo opposto, come si vede in figura.
E’ possibile dimostrare che questo genere di induzione di può considerare la somma di due campi
magnetici rotanti che hanno velocità opposte e ampiezze uguali fra loro ed uguali alla metà della
ampiezza della induzione magnetica risultante. Per le due velocità e i due scoriimenti si ha
sn
n
n
nns
sn
n
n
nns
nnn
II
c
r
II
c
r
II
cII
I
c
r
I
c
r
I
cI
c
II
c
I
c
1
1
CARATTERISTICA MECCANICA. Ora il
rotore presenterà velocità relative diverese
rispetto ai due campi magnetici che ruotano in verso opposto con velocità che risulta, in modulo,
uguale. Questo permette di ricavare la caratteristica meccanica del motore asincrono monofase
come somma di due caratteristiche meccaniche qualitativamente simili a quelle viste per il motore
trifase, ma ribaltate l’una rispetto all’altra.
AVVIAMENTO. Dalla caratteristica meccanica emerge come il motore monofase abbia coppia di
spunto nulla. Questo vuol dire che, se non facciamo qualche modifica al suo funzionamento, allora
tale motore non può avviarsi spontaneamente. Resta comunque il fatto che se gli si fornisce uno
spunto meccanico alla rotazione, in uno dei due
versi, esso comincia ad accelerare in tale verso e ad
aumentare la coppia motrice, fino al
raggiungimento di una condizione di equilibrio.
Occorre dunque una coppia di spunto ausiliaria.
Come ottenerla? In genere si determina una
induzione magnetica alternata ausiliaria che,
sommata a quella dell’avvolgimento di statore, dia
luogo ad una induzione magnetica rotante, anche
piccola, che fornisca una coppia di spunto. Per la
generazione di una induzione magnetica ruotante si
211
usano due sistemi, analizzati nel seguito.
MOTORE A CONDENSATORE. Si consideri un motore asincrono trifase con glia vvolgimenti
primari collegati a triangolo. Due fasi le colleghiamo ai due morsetti di una rete monofase alternata.
Lungo il terzo avvolgimento inseriamo un condensatore ed un interruttore. Si ha lo schema elettrico
disegnato in figura, dove è rappresentato solo lo statore. La corrente dell’avvolgimento ausiliario
risulta sfasata di 90° rispetto a quella dell’avvolgimento primario e dunque genera un campo
magnetico che, sommato a quello dell’avvolgimento primario, è in grado di generare un campo
magnetico rotante in grado di fornire la coppia di spunto.
MOTORE A POLI SCHERMATI. Ciascun polo di statore presenta una spira non attraversata da
corrente. Poiché essa è attraversata da un flusso variabile determinato dagli avvolgimenti di statore,
lungo di essa si genera una corrente che determina un flusso la cui somma col flusso determinato
dal primario dà luogo ad un campo magnetico rotante in grado di fornire una modesta copèpia di
spunto.